Nowy przepływ pracy dla próbkowania i digitalizacji rdzeni przyrostowych
27 września 2024
Przedstawiamy protokół do używania drukowanych w 3D uchwytów do mocowania rdzeni przyrostowych w terenie, bez konieczności rozpakowywania i przyklejania ich do drewnianych mocowań. Nowy uchwyt GSC umożliwia umieszczenie rdzeni w mikrotomie rdzeniowym w celu przecięcia ich powierzchni i bezpośredniego przeniesienia ich do cyfrowego przechwytywania obrazu.
Opracowując nowe urządzenia, zamierzamy przesuwać granice w badaniach słojów drzew. Zastosowanie oprogramowania do modelowania 3D i drukarek 3D pozwala na szybkie i tanie tworzenie nowych urządzeń. Jednym z nich jest system przechwytywania obrazu Skippy, który pozwala na digitalizację powierzchni przebiegu przyrostu w wysokiej rozdzielczości i krótkim czasie.
Zazwyczaj podczas pobierania próbek w dendroekologii, dendrogeomorfologii lub dendroklimatologii pobieramy próbki drzew w odległych regionach, takich jak regiony na bardzo wysokich szerokościach geograficznych, a także tam, gdzie warunki klimatyczne są surowe. Dlatego oszczędność czasu jest bardzo ważna. A przyjmując ten protokół, zaoszczędzimy czas, czyli pieniądze.
Zastosowanie naszego protokołu pozwoli na produkcję większych zbiorów danych w krótszym czasie. Aby rozpocząć, otwórz model 3D uchwytu w programie Slicer kompatybilnym z drukarką 3D. Utwórz plik do druku, który może być odczytany przez drukarkę 3D, upewniając się, że jest zapisany jako plik G-code.
Za pomocą karty pamięci lub pamięci USB aktywuj plik do druku na drukarce 3D. Po wydrukowaniu uchwytu poczekaj, aż ostygnie do temperatury pokojowej. Wyjmij z drukarki płytkę, do której przykleja się uchwyt, lekko zegnij płytkę, aż uchwyt oddzieli się od powierzchni.
Na koniec usuń wszystkie nadmiarowe gwinty lub nasadki z uchwytu. Na początek weź wiertarko-wkrętarkę akumulatorową ze wzmacniaczem momentu obrotowego i rdzeniem przyrostowym. Po wybraniu pozycji rdzenia umieść rdzeń prostopadle do osi wzrostu łodygi.
Następnie rozpocznij rdzeniowanie, aż rdzeń osiągnie co najmniej połowę średnicy łodygi. Sprawdź głębokość, trzymając ekstraktor wzdłuż rdzenia. Jeśli używasz wiertarko-wkrętarki akumulatorowej, wyjmij wiertarkę.
Umieść uchwyt na rdzeniu. Weź ekstraktor otwartą stroną skierowaną do góry i włóż go całkowicie do rdzenia. Następnie obróć rdzeń przyrostowy do tyłu o jeden pełny obrót, aby oderwać rdzeń od trzpienia.
Następnie wyjmij ekstraktor, w tym rdzeń. Teraz wyjmij rdzeń z ekstraktora. Sprawdź kierunek włókna rdzenia, aby zapewnić pionową orientację podczas umieszczania rdzenia w uchwycie.
Następnie umieść rdzeń na uchwycie w kierunku włókna pionowo. Dociśnij rdzeń wszystkimi palcami, aż wsunie się do uchwytu. Za pomocą miękkiego ołówka oznacz rdzeń z boku uchwytu.
Umieść uchwyt z rdzeniem w skrzynce transportowej i zamknij pokrywę skrzyni transportowej. Aby rozpocząć, umieść stalową skrzynkę z pokrywą wyposażoną w zawór do podłączenia pompy próżniowej na płycie grzejnej. Napełnij pudełko do około dwóch centymetrów parafiną i poczekaj, aż całkowicie się rozpuści.
Wyjmij zamontowane rdzenie ze skrzynki transportowej. Umieść uchwyty z rdzeniami w ciekłej parafinie i zamknij pokrywkę. Następnie uruchom pompę próżniową i zastosuj stałe lekkie podciśnienie do pojemnika.
Po zatrzymaniu pompy próżniowej otwórz pokrywę. Wyjmij uchwyty z rdzeniami, umieść je na siatce i pozwól im ostygnąć. W razie potrzeby usuń nadmiar parafiny z boków uchwytu.
Wyjmij zamontowane rdzenie ze skrzyni transportowej lub kąpieli parafinowej. Umieścić uchwyt wraz z rdzeniem w uchwycie na próbkę mikrotomu rdzeniowego. Upewnij się, że późne drewno pierścieni jest skierowane w stronę ostrza.
Teraz dokręć uchwytu próbki, aż uchwyt rdzenia będzie całkowicie bezpieczny. Podnieś uchwyt próbki, aż rdzeń lekko dotknie ostrza. Przeciągnij ostrze przez cały zakres rdzenia, aby odciąć pierwszą część góry.
Następnie wepchnij nóż za rdzeń i podnieś uchwyt próbki o kilka mikronów. Po przycięciu powierzchni zgodnie z przeznaczeniem wyjąć uchwyt rdzenia z uchwytu na próbkę mikrotomu. Aby rozpocząć, umieść uchwyt rdzenia z gładką powierzchnią rdzenia na stole systemu przechwytywania obrazu, takiego jak system WSL Skippy.
Dopasuj uchwyt rdzenia do kierunku ruchu stołu lub kamery. Umieść stół z uchwytem rdzenia pod kamerą, tak aby najbardziej zewnętrzny pierścień znajdował się w środku view pod obiektywem aparatu. Teraz umieść skalę obok początku rdzenia i zrób zdjęcie w celu kalibracji.
Zdefiniuj długość rdzenia w oprogramowaniu i rozpocznij proces przechwytywania obrazu. Po zrobieniu ostatniego zdjęcia stół wraca do pozycji wyjściowej. Następnie wyjmij próbkę ze stołu.
Umieść następny uchwyt pod kamerą. Następnie użyj oprogramowania do łączenia bez zniekształceń, takiego jak PD GUI, aby połączyć pojedyncze obrazy w jeden ostateczny obraz powierzchni rdzenia. Weź analizowane rdzenie do uchwytu i umieść je w przenośnym stojaku do przechowywania wydrukowanym za pomocą drukarki 3D.
Oznacz stojak, aby zidentyfikować rdzenie z zewnątrz. Przechowuj stojak na półce lub innym dostępnym archiwum. System kamer o wysokiej rozdzielczości osiągnął rzeczywistą rozdzielczość 6 500 DPI w porównaniu do 1 825 DPI ze skanera płaskiego.
System kamer zapewniał wyraźne obrazy pojedynczych komórek, umożliwiając precyzyjną identyfikację granic pierścieni. System ułatwił obrazowanie mikroprzekrojów rdzeni drzew o wysokości do 40 centymetrów w świetle przechodzącym, co jest przydatne w badaniach dendrogeomorfologicznych.
Przegląd
W niniejszym artykule przedstawiono protokół wykorzystania wydrukowanych w technologii 3D uchwytów do zabezpieczania rdzeni przyrostowych w terenie, co usprawnia proces przygotowywania próbek do analizy. Innowacyjny uchwyt GSC umożliwia bezpośredni transfer do mikrotomu do rdzeni w celu uzyskania obrazowania o wysokiej rozdzielczości.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Dendroekologia
- Dendrogeomorfologia
- Dendroklimatologia
Wstęp
- Badania nad słojami drzew często prowadzone są w odległych i trudnych warunkach środowiskowych.
- Tradycyjne metody wymagają znacznych nakładów czasu i zasobów na przygotowanie próbek.
- Technologia druku 3D stanowi kosztowo efektywne rozwiązanie w zakresie opracowywania nowych narzędzi badawczych.
- Obrazowanie o wysokiej rozdzielczości jest kluczowe dla dokładnej analizy dendrochronologicznej.
Cel badania
- W celu zwiększenia wydajności pobierania próbek i analizy słojów drzew.
- W celu opracowania niezawodnej metody przygotowywania rdzeni przyrostowych w trudnych warunkach terenowych.
- W celu generowania większych zbiorów danych w krótszym czasie.
Zastosowane metody
- Modelowanie 3D i druk uchwytów do rdzeni.
- Wykorzystanie wiertarki akumulatorowej do ekstrakcji rdzeni.
- Zatapianie rdzeni w parafinie w celu ich stabilizacji.
- Obrazowanie o wysokiej rozdzielczości z wykorzystaniem systemu Skippy.
Główne wyniki
- Nowa konstrukcja uchwytu upraszcza proces przygotowania rdzenia.
- Uzyskano wysokorozdzielcze obrazy powierzchni rdzeni, co pozwoliło na szczegółową analizę.
- Protokół znacząco skraca czas spędzony w terenie i w laboratorium.
- Wyraźne obrazy ułatwiły precyzyjną identyfikację granic pierścieni.
Wnioski
- Opracowany protokół zwiększa efektywność badań nad słojami drzew.
- Technologia druku 3D okazuje się korzystna przy tworzeniu narzędzi badawczych.
- Obrazowanie o wysokiej rozdzielczości jest niezbędne dla rozwoju studiów dendrochronologicznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Zdigitalizowane procesy przygotowania rdzeni przyrostowych z wykorzystaniem drukowanych w 3D uchwytów i systemów obrazowania o wysokiej rozdzielczości umożliwiają szybkie i powtarzalne przetwarzanie próbek w celu generowania wielkoskalowych danych biologicznych. Podejście to wspiera wysokoprzepustową, ilościową analizę cech strukturalnych, co ułatwia rzetelną weryfikację hipotez oraz porównywalność między badaniami. Przedstawiony schemat postępowania jest strategicznie ukierunkowany na zwiększenie pewności predykcyjnej oraz efektywności operacyjnej w procesach wczesnego odkrywania i badaniach translacyjnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biopharmaceutyki
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia standaryzowane pobieranie próbek i digitalizację w celu ilościowej analizy strukturalnej.
- Wspiera weryfikację hipotez dotyczących biologicznych wzorców wzrostu i reakcji.
- Ułatwia powtarzalne generowanie danych do mechanistycznej redukcji ryzyka oraz walidacji celu.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Przygotowuje zwalidowane, cyfrowe próbki o wysokiej rozdzielczości do późniejszych procesów analitycznych opartych na obrazowaniu.
- Poprawia powtarzalność i skalowalność testów dzięki standaryzacji obchodzenia się z próbkami oraz obrazowania.
- Umożliwia niezawodny, ilościowy pomiar cech strukturalnych w zastosowaniach przesiewowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia ciągłość od pobierania próbek w terenie do analizy laboratoryjnej, wspierając odkrywanie translacyjnych biomarkerów.
- Dostosowuje wyniki cyfrowe do wymagań modeli przedklinicznych w celu integracji międzybadaniowej.
- Zmniejsza wąskie gardła operacyjne, wspierając decyzje o postępie prac w oparciu o analizę ryzyka.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ten schemat pracy integruje procesy od pobierania próbek w terenie po obrazowanie cyfrowe, wspierając etapy wczesnego odkrywania, przesiewu oraz badań translacyjnych.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia ilościową weryfikację hipotez oraz wyjaśnienie szlaków sygnałowych poprzez zdigitalizowane dane strukturalne.
- Screening: Dostarcza powtarzalne obrazy o wysokiej rozdzielczości, odpowiednie do analizy zautomatyzowanej lub manualnej.
- Analityka: Zapewnia wyniki ilościowe do porównań statystycznych różnych stanów biologicznych.
- Badania translacyjne: Wspiera ciągłość i porównywalność między badaniami przedklinicznymi a translacyjnymi.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia skalowalny, wielokrotnego użytku schemat pracy dla różnorodnych potrzeb w zakresie pobierania próbek biologicznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i ogranicza niejednoznaczność mechanistyczną dzięki standaryzowanym danym ilościowym.
- Wartość operacyjna: Poprawia odtwarzalność, skalowalność i efektywność czasową przetwarzania próbek.
- Wartość strategiczna: Poprawia jakość decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) oraz efektywność kapitałową poprzez umożliwienie gromadzenia większych i bardziej wiarygodnych zbiorów danych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój programów odkrywczych i translacyjnych.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w modelowaniu 3D, druku oraz systemach obrazowania o wysokiej rozdzielczości.
- Wymaga dostępu do kompatybilnych mikrotomów, platform obrazowania oraz oprogramowania analitycznego.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w zakresie obchodzenia się z próbkami i zarządzania danymi.
- Możliwość adaptacji do różnych typów próbek biologicznych, przy uwzględnieniu wymagań specyficznych dla danego modelu.
- Zależność od infrastruktury do cyfrowego przechowywania danych i analizy obrazu.
Często zadawane pytania dotyczące Biofarmacji
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:13
Creating the GSC‐Holder Using 3D Modeling Software
1:58
Extracting, Stabilizing, and Transporting Increment Cores in the Field
3:26
Preparing the Mounted Cores in the Lab for Digitizing the Cores
5:06
Digitizing the Core Surfaces for Analysis and Storage of Cores
