Nyt 3-D trykt mikroskop lovende til medicinsk diagnostik i udviklingslande

Forskere har brugt 3-D-print til at lave et billigt og bærbart højopløsningsmikroskop, der er lille og robust nok til at bruge i felten eller ved sengen. De højopløselige 3D-billeder leveret af instrumentet kan potentielt bruges til at opdage diabetes, seglcelle sygdom, malaria og andre sygdomme.

"Dette nye mikroskop kræver ingen speciel farvning eller etiketter og kan hjælpe med at øge adgangen til billige medicinske diagnostiske tests, " sagde lederen af ​​forskerholdet Bahram Javidi fra University of Connecticut. "Dette ville være særligt gavnligt i udviklingsdele af verden, hvor der er begrænset adgang til sundhedspleje og få højteknologiske diagnostiske faciliteter."

Forskerne beskriver deres nye mikroskop, som er baseret på digital holografisk mikroskopi, i tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver . Det bærbare instrument producerer 3-D-billeder med dobbelt opløsning af traditionel digital holografisk mikroskopi, som typisk udføres på et optisk bord i et laboratorium. Ud over biomedicinske applikationer, det kunne også være nyttigt til forskning, fremstilling, forsvar og uddannelse.

"Hele systemet består af 3-D printede dele og almindeligt forekommende optiske komponenter, gør det billigt og nemt at kopiere, " sagde Javidi. "Alternative laserkilder og billedsensorer vil yderligere reducere omkostningerne, og vi vurderer, at en enkelt enhed kan reproduceres for flere hundrede dollars. Masseproduktion af enheden ville også reducere omkostningerne væsentligt."

Fra laboratoriet til marken klar

I traditionel digital holografisk mikroskopi, et digitalkamera optager et hologram fremstillet af interferens mellem en referencelysbølge og lys, der kommer fra prøven. En computer konverterer derefter dette hologram til et 3D-billede af prøven. Selvom denne mikroskopi-tilgang er nyttig til at studere celler uden nogen etiketter eller farvestoffer, det kræver typisk en kompleks optisk opsætning og et stabilt miljø uden vibrationer og temperaturudsving, der kan medføre støj i målingerne. Af denne grund, digitale holografiske mikroskoper findes generelt kun i laboratorier.

Forskerne var i stand til at øge opløsningen af ​​digital holografisk mikroskopi ud over, hvad der er muligt med ensartet belysning ved at kombinere det med en superopløsningsteknik kendt som struktureret belysningsmikroskopi. Det gjorde de ved at generere et struktureret lysmønster ved hjælp af en klar compact disc.

"3-D-printning af mikroskopet gjorde det muligt for os præcist og permanent at justere de optiske komponenter, der er nødvendige for at give opløsningsforbedringen og samtidig gøre systemet meget kompakt, " sagde Javidi.

Tester det nye mikroskop

Forskerne evaluerede systemets ydeevne ved at optage billeder af et opløsningsdiagram og derefter bruge en algoritme til at rekonstruere billeder i høj opløsning. Dette viste, at det nye mikroskopisystem kunne løse funktioner så små som 0,775 mikron, dobbelt opløsning af traditionelle systemer. Brug af en lyskilde med kortere bølgelængder ville forbedre opløsningen endnu mere.

Yderligere eksperimenter viste, at systemet var stabilt nok til at analysere fluktuationer i biologiske celler over tid, som skal måles på skalaen af ​​et par tiere nanometer. Forskerne demonstrerede derefter anvendeligheden af ​​enheden til biologisk billeddannelse ved at erhverve et billede i høj opløsning af en grøn alge.

"Vores design giver et meget stabilt system med høj opløsning, " sagde Javidi. "Dette er meget vigtigt for at undersøge subcellulære strukturer og dynamik, som kan have bemærkelsesværdigt små detaljer og udsving."

Forskerne siger, at det nuværende system er klar til praktisk brug. De planlægger at bruge det til biomedicinske applikationer såsom celleidentifikation og sygdomsdiagnose og vil fortsætte deres samarbejde med deres internationale partnere for at undersøge sygdomsidentifikation i fjerntliggende områder med begrænset adgang til sundhedspleje. De arbejder også på at forbedre opløsningen og signal-til-støj-forholdet i systemet yderligere uden at øge enhedens omkostninger.