Kwantyfikacja właściwości elastycznych biofilmów środowiskowych za pomocą optycznej elastografii koherentnej
1 marca 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.
Przegląd
Niniejsze badanie koncentruje się na właściwościach mechanicznych biofilmu środowiskowego z wykorzystaniem elastografii optycznej koherencji (OCE). Celem badań jest zrozumienie, w jaki sposób skład i struktura biofilmu korelują z jego właściwościami mechanicznymi.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Biofizyka
- Bioinżynieria
Wstęp
- Biofilmy są złożonymi społecznościami mikroorganizmów.
- Zrozumienie ich właściwości mechanicznych ma kluczowe znaczenie dla wielu zastosowań.
- Istniejące techniki często pomijają pomiary lokalne istotne w skali mezo.
- OCE zapewnia nieniszczącą metodę charakteryzacji tych właściwości.
Cel badania
- Charakterystyka właściwości mechanicznych biofilmów.
- Przewidywanie wpływu składu biofilmu na jego zachowanie mechaniczne.
- Wykorzystanie tej wiedzy do wzmacniania lub eliminowania biofilmów w zależności od potrzeb zastosowania.
Zastosowane metody
- Elastografia z koherencją optyczną (OCE)
- Chemometria
- Nanoindentacja
- Skaningowa mikroskopia sił atomowych
Główne wyniki
- OCE skutecznie charakteryzuje właściwości sprężyste biofilmu.
- Wartości modułu Younga uzyskano dla dwóch biofilmów granularnych.
- Wyjaśniono krytyczne procedury implementacji OCE.
- Wyniki wskazują na potencjał w zakresie dostosowanych zastosowań biofilmów.
Wnioski
- OCE jest obiecującą techniką charakteryzacji biofilmów.
- Zrozumienie właściwości mechanicznych może pomóc w opracowaniu strategii zarządzania biofilmami.
- Przyszłe badania mogą rozszerzyć zakres zastosowań tych wyników.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowe określenie właściwości sprężystych biofilmu środowiskowego za pomocą optycznej elastografii koherencyjnej (OCE) wypełnia krytyczną lukę w zrozumieniu mechanicznego zachowania w mezoskali, które ma znaczenie dla bioprzetwarzania i biotechnologii środowiskowej. Mapowanie sztywności biofilmu o wysokiej rozdzielczości i charakterze nieniszczącym umożliwia przewidywanie stabilności, wydajności oraz strategii interwencyjnych w ramach portfolio badań i rozwoju. Możliwość ta wspiera podejmowanie decyzji uwzględniających ryzyko w zastosowaniach, w których zarządzanie biofilmem wpływa na niezawodność procesów i innowacyjność.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących mechaniki biofilmu w skali mezo, istotnej dla jego funkcjonalności.
- Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez wyjaśnienie, w jaki sposób skład i struktura wpływają na stabilność mechaniczną.
- Ułatwia przewidywanie wyników przy wyborze lub modyfikowaniu celów w biofilmie w celu jego wzmocnienia lub eliminacji.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Przygotowuje zwalidowane systemy biofilmu do dalszych etapów mechanicznego i funkcjonalnego przesiewu.
- Zapewnia ilościowe, powtarzalne pomiary modułu Younga w celu standaryzacji testów.
- Umożliwia skalowalną, nieniszczącą ocenę próbek biofilmu do badań porównawczych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Koreluje dane dotyczące właściwości mechanicznych z wskaźnikami wydajności biofilmu w warunkach środowiskowych lub przemysłowych.
- Zapewnia ciągłość procesu od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną interwencji ukierunkowanych na biofilm.
- Umożliwia mechanistyczną redukcję ryzyka w strategiach translacyjnych obejmujących modulację biofilmu.
Integracja rurociągu i przepływu pracy
Charakterystyka biofilmu oparta na OCE integruje się z kontinuum od etapu odkrycia do badań przedklinicznych, dostarczając informacji zarówno dla wczesnego testowania hipotez, jak i dla późniejszej oceny interwencji.
- Biologia odkrywcza: Wspiera analizę zależności między strukturą a funkcją biofilmu w odpowiednich skalach, opartą na hipotezach.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne, ilościowe wyniki właściwości sprężystych w celu przygotowania testów.
- Analityka: Umożliwia bezpośrednie porównanie pomiarów mechanicznych w różnych warunkach i po zastosowaniu różnych interwencji.
- Badania translacyjne: Łączy mechaniczne dane w skali mezo z wynikami przedklinicznymi i oceną ryzyka.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę do wielokrotnego użytku w celu analizy mechanicznej biofilmu w ramach zróżnicowanych programów B+R.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach ukierunkowanych na biofilm.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje i skaluje nieniszczące pomiary mechaniczne w celu zapewnienia powtarzalności.
- Wartość strategiczna: Dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) oraz alokacji kapitału w projektach związanych z biofilmem.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację strategii zarządzania biofilmem w różnych zastosowaniach z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w obsłudze aparatury OCE oraz w przygotowywaniu próbek biofilmu.
- Zależne od dostępu do systemów OCT, generatorów przebiegów oraz oprogramowania analitycznego.
- Wymaga standaryzacji protokołów pomiarowych i analizy danych pomiędzy zespołami.
- Może wymagać adaptacji dla różnych typów biofilmu lub warunków środowiskowych.
- Należy uwzględnić ograniczenia rozdzielczości przestrzennej i czasowej w odniesieniu do konkretnych potrzeb badawczo-rozwojowych.
