Onderzoekers hebben 3D-printen gebruikt om een ​​goedkope en draagbare microscoop met hoge resolutie te maken die klein en robuust genoeg is om in het veld of aan het bed te gebruiken. De 3D-beelden met hoge resolutie die door het instrument worden geleverd, kunnen mogelijk worden gebruikt om diabetes op te sporen, sikkelcelziekte, malaria en andere ziekten.

"Deze nieuwe microscoop vereist geen speciale kleuring of labels en kan de toegang tot goedkope medische diagnostische tests helpen vergroten, " zei onderzoeksteamleider Bahram Javidi van de Universiteit van Connecticut. "Dit zou vooral gunstig zijn in de ontwikkeling van delen van de wereld waar er beperkte toegang is tot gezondheidszorg en weinig high-tech diagnostische faciliteiten."

De onderzoekers beschrijven hun nieuwe microscoop, die is gebaseerd op digitale holografische microscopie, in het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters . Het draagbare instrument produceert 3D-beelden met tweemaal de resolutie van traditionele digitale holografische microscopie, die typisch wordt uitgevoerd op een optische tafel in een laboratorium. Naast biomedische toepassingen, het kan ook nuttig zijn voor onderzoek, productie, defensie en onderwijs.

"Het hele systeem bestaat uit 3D-geprinte onderdelen en veel voorkomende optische componenten, waardoor het goedkoop en gemakkelijk te repliceren is, ", aldus Javidi. "Alternatieve laserbronnen en beeldsensoren zouden de kosten verder verlagen, en we schatten dat een enkele eenheid kan worden gereproduceerd voor enkele honderden dollars. Massaproductie van de eenheid zou ook de kosten aanzienlijk verlagen."

Van het lab tot veldklaar

In traditionele digitale holografische microscopie, een digitale camera neemt een hologram op dat wordt geproduceerd door interferentie tussen een referentielichtgolf en licht afkomstig van het monster. Een computer zet dit hologram vervolgens om in een 3D-afbeelding van het monster. Hoewel deze microscopiebenadering nuttig is voor het bestuderen van cellen zonder labels of kleurstoffen, het vereist doorgaans een complexe optische opstelling en een stabiele omgeving zonder trillingen en temperatuurschommelingen die ruis in de metingen kunnen veroorzaken. Om deze reden, digitale holografische microscopen worden over het algemeen alleen in laboratoria aangetroffen.

De onderzoekers waren in staat om de resolutie van digitale holografische microscopie te verhogen tot meer dan mogelijk is met uniforme verlichting door deze te combineren met een superresolutietechniek die bekend staat als gestructureerde verlichtingsmicroscopie. Dit deden ze door een gestructureerd lichtpatroon te genereren met behulp van een heldere compact disc.

"Het 3D-printen van de microscoop stelde ons in staat om de optische componenten die nodig zijn om de resolutie te verbeteren nauwkeurig en permanent uit te lijnen, terwijl het systeem ook zeer compact werd, ' zei Javidi.

De nieuwe microscoop testen

De onderzoekers evalueerden de systeemprestaties door afbeeldingen van een resolutiegrafiek op te nemen en vervolgens een algoritme te gebruiken om afbeeldingen met een hoge resolutie te reconstrueren. Dit toonde aan dat het nieuwe microscopiesysteem functies zo klein als 0,775 micron kon oplossen, dubbele resolutie van traditionele systemen. Het gebruik van een lichtbron met kortere golflengten zou de resolutie nog verder verbeteren.

Aanvullende experimenten toonden aan dat het systeem stabiel genoeg was om fluctuaties in biologische cellen in de loop van de tijd te analyseren, die moeten worden gemeten op de schaal van enkele tientallen nanometers. De onderzoekers demonstreerden vervolgens de toepasbaarheid van het apparaat voor biologische beeldvorming door een afbeelding met hoge resolutie van een groene alg te maken.

"Ons ontwerp biedt een zeer stabiel systeem met een hoge resolutie, " zei Javidi. "Dit is erg belangrijk voor het onderzoeken van subcellulaire structuren en dynamiek, die opmerkelijk kleine details en fluctuaties kan hebben."

De onderzoekers zeggen dat het huidige systeem klaar is voor praktisch gebruik. Ze zijn van plan het te gebruiken voor biomedische toepassingen zoals celidentificatie en ziektediagnose en zullen hun samenwerking met hun internationale partners voortzetten om ziekte-identificatie te onderzoeken in afgelegen gebieden met beperkte toegang tot gezondheidszorg. Ze werken ook aan een verdere verbetering van de resolutie en signaal-ruisverhouding van het systeem zonder de kosten van het apparaat te verhogen.