Kwantyfikacja właściwości elastycznych biofilmów środowiskowych za pomocą optycznej elastografii koherentnej
March 1st, 2024
Ten artykuł podkreśla skuteczność techniki optycznej elastografii koherentnej (OCE) w szybkim i nieniszczącym charakteryzowaniu elastycznych właściwości biofilmu. Wyjaśniamy krytyczne procedury wdrażania OCE w celu uzyskania dokładnych pomiarów i przedstawiamy wartości modułu Younga dla dwóch ziarnistych biofilmów.
Nasze badania polegają na scharakteryzowaniu właściwości mechanicznych biofilmów środowiskowych z wykorzystaniem Techniki Optycznej Elastografii Koherentnej. Naszym celem jest zrozumienie i przewidzenie, w jaki sposób skład i struktura biofilmu falują w stosunku do właściwości mechanicznych. Ostatecznie wiedza ta zostanie wykorzystana do wzmocnienia lub wyeliminowania różnych biofilmów, w zależności od zastosowania.
Okej, jeśli chodzi o charakterystykę właściwości mechanicznych biofilmów, mamy cheriometrię, mamy nanoindentację, mikroskopię sił atomowych. Mamy też nowe techniki rozwojowe, na przykład optyczne, pęsety, pęsety magnetyczne, korelację obrazów cyfrowych i wiele innych. Większość wcześniej stosowanych technik skupia się albo na ogólnych pomiarach właściwości mechanicznych, pomijając te mezoskalowe, albo wysoce zlokalizowane pomiary, które nie są istotne w mezoskali.
Mezoskala jest kluczowa, ponieważ jest to poziom, który jest istotny dla fizycznych atrybutów biofilmów. Po pierwsze, dostosowaliśmy technikę elastografii prześwitu optycznego, aby scharakteryzować właściwości mechaniczne biofilmów środowiskowych. W tym kontekście opracowaliśmy metody, opracowaliśmy również narzędzia do modelowania odwrotnego, aby móc radzić sobie z warstwowymi właściwościami lepkosprężystymi, a także analizować złożoną mikrostrukturę biofilmów.
Nasza grupa jest zainteresowana ilościowym określeniem właściwości mechanicznych biofilmów z oczyszczalni ścieków. Dlatego jesteśmy zainteresowani dowiedzeniem się, jakie czynniki wpływają na stabilność i wydajność biofilmów. Na przykład, czy sztywność biofilmu wpływa na szybkość złuszczania się?
Na początek zbierz elementy systemu, w tym komercyjną optyczną tomografię koherentną lub OCT, generator przebiegów, przetwornik, generator opóźnienia, przełącznik ze złączami BNC, i adaptery BNC, słupki optyczne i zaciski. Podłącz sygnał synchronizacji z generatora funkcyjnego do przełącznika. Następnie podłącz drugi port przełącznika do generatora opóźnienia.
Teraz podłącz wyjście generatora funkcyjnego do przewodów przetwornika. Podłącz wyjścia generatora opóźnienia do kanału wyzwalającego z tyłu jednostki bazowej OCT. Włącz generator funkcyjny, generator opóźnień, jednostkę bazową OCT i komputer.
Następnie uruchom oprogramowanie OCT. Umieść przetwornik pod soczewką OCT. W oprogramowaniu OCT wybierz tryb akwizycji Dopplera i włącz wyzwalacz zewnętrzny.
Uzyskać komercyjnie uzyskany granulowany biofilm umieścić pod soczewką w uchwycie na próbkę. Korzystając ze stolika translacyjnego, przesuń biofilmy w kierunku końcówki przetwornika, upewniając się, że końcówka delikatnie styka się z powierzchnią próbki. W oknie przykładowego monitora kliknij punkt początkowy i końcowy interesującej Cię linii, aby określić obszar skanowania.
Następnie określ liczbę pikseli na 1 523 wzdłuż ścieżki skanowania i 1 024 pikseli wzdłuż głębokości próbki. Zwiększ liczbę skanów B do 50, aby poprawić stosunek sygnału do szumu w obrazach z optycznej elastografii koherentnej (OCE). Kliknij przycisk Skanuj i włącz przełącznik.
Gdy obrazy pojawią się na ekranie, upewnij się, że intensywność referencyjna mieści się w optymalnym zakresie. Następnie umieść próbkę w obszarze ogniskowym obiektywu mikroskopu OCT. Na pasku narzędzi wyświetlacza zwiększ wyższą wartość paska koloru po lewej stronie i zmniejsz dolną wartość paska koloru po prawej stronie, aby dostosować kontur fazowy na obrazie OCE.
Aby skonfigurować generator funkcyjny, naciśnij przycisk Sign, aby wytworzyć napięcie sinusoidalne o pojedynczej częstotliwości, zaczynając od częstotliwości wzbudzenia 4,6 kiloherca. Następnie ustaw napięcie na odpowiednią wartość i włącz złącze wyjściowe, naciskając Output. Następnie kliknij przycisk Nagraj i uzyskaj obrazy OCT i OCE.
Powtórz pomiary przy różnych częstotliwościach, aby uzyskać obrazy przekroju poprzecznego pola fali sprężystej o różnych długościach fal.
Overview
To studium koncentruje się na mechanicznych właściwościach biofilmów środowiskowych za pomocą Optycznej Koherencyjnej Elastograffi (OCE). Badania mają na celu zrozumienie, jak skład i struktura biofilmów korelują z ich właściwościami mechanicznymi.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Biofizyka
- Bioinżynieria
Tło
- Biofilmy to złożone społeczności mikroorganizmów.
- Zrozumienie ich właściwości mechanicznych jest kluczowe dla różnych zastosowań.
- Istniejące techniki często pomijają zlokalizowane pomiary istotne na mezoskali.
- OCE zapewnia nieniszczącą metodę charakteryzacji tych właściwości.
Cel badania
- Charakteryzowanie właściwości mechanicznych biofilmów.
- Przewidywanie, jak skład biofilmu wpływa na zachowanie mechaniczne.
- Wykorzystanie tej wiedzy do poprawy lub eliminowania biofilmów w zależności od potrzeb aplikacji.
Stosowane metody
- Optyczna Koherencyjna Elastograffia (OCE)
- Cheriometria
- Nanowciskankometia
- Mikroskopia sił atomowych
Główne wyniki
- OCE skutecznie charakteryzuje właściwości elastyczne biofilmów.
- Uzyskano wartości modułu Younga dla dwóch granulowanych biofilmów.
- Wyjaśniono krytyczne procedury implementacji OCE.
- Wyniki wskazują na potencjał dostosowanych zastosowań biofilmów.
Wnioski
- OCE jest obiecującą techniką do charakteryzacji biofilmów.
- Zrozumienie właściwości mechanicznych może wpłynąć na strategie zarządzania biofilmami.
- Przyszłe badania mogą rozwijać zastosowania tych odkryć.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Quantifying the elastic properties of environmental biofilms using Optical Coherence Elastography (OCE) addresses a critical gap in understanding mesoscale mechanical behavior relevant to bioprocessing and environmental biotechnology. High-resolution, non-destructive mapping of biofilm stiffness enables predictive confidence in biofilm stability, performance, and intervention strategies across R&D portfolios. This capability supports risk-adjusted decisions in applications where biofilm management impacts process reliability and innovation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of biofilm mechanical hypotheses at the mesoscale relevant to functional performance.
- Supports biological de-risking by clarifying how composition and structure influence mechanical stability.
- Facilitates predictive confidence in selecting or modifying biofilm targets for enhancement or elimination.
Screening & Assay Development
- Prepares validated biofilm systems for downstream mechanical and functional screening workflows.
- Delivers quantitative, reproducible Young's modulus measurements for assay standardization.
- Enables scalable, non-destructive evaluation of biofilm samples for comparative studies.
Translational & Preclinical Research
- Aligns mechanical property data with environmental or industrial biofilm performance metrics.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation of biofilm-targeted interventions.
- Provides mechanistic de-risking for translational strategies involving biofilm modulation.
Pipeline & Workflow Integration
OCE-based biofilm characterization integrates into the discovery-to-preclinical continuum, informing both early hypothesis testing and downstream intervention assessment.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven analysis of biofilm structure-function relationships at relevant scales.
- Screening: Provides reproducible, quantitative elastic property outputs for assay readiness.
- Analytics: Enables direct comparison of mechanical measurements across conditions and interventions.
- Translational Research: Connects mesoscale mechanical data to preclinical performance and risk assessment.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for biofilm mechanical analysis across diverse R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in biofilm-targeted research.
- Operational Value: Standardizes and scales non-destructive mechanical measurements for reproducibility.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and capital allocation for biofilm-related projects.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of biofilm management strategies across applications.
Implementation Considerations
- Requires expertise in OCE instrumentation and biofilm sample handling.
- Depends on access to OCT systems, waveform generators, and analytical software.
- Demands cross-team standardization of measurement protocols and data analysis.
- May require adaptation for different biofilm types or environmental conditions.
- Spatial and temporal resolution limitations must be considered for specific R&D needs.
