Summary
हम एक संपीड़न परीक्षण का उपयोग करके एक ओकुलर लेंस के प्रभावी लोचदार मापांक को चिह्नित करने के लिए एक स्वचालित विधि प्रस्तुत करते हैं।
Abstract
ओकुलर लेंस के बायोमैकेनिकल गुण एक चर शक्ति ऑप्टिकल तत्व के रूप में इसके कार्य के लिए आवश्यक हैं। ये गुण मानव लेंस में उम्र के साथ नाटकीय रूप से बदलते हैं, जिसके परिणामस्वरूप प्रेस्बिओपिया नामक निकट दृष्टि का नुकसान होता है। हालाँकि, इन परिवर्तनों के तंत्र अज्ञात रहते हैं। लेंस संपीड़न गुणात्मक अर्थों में लेंस की बायोमेकेनिकल कठोरता का आकलन करने के लिए एक अपेक्षाकृत सरल विधि प्रदान करता है और जब उपयुक्त विश्लेषणात्मक तकनीकों के साथ मिलकर, बायोमेकेनिकल गुणों को निर्धारित करने में मदद कर सकता है। मैनुअल और स्वचालित दोनों सहित विभिन्न प्रकार के लेंस संपीड़न परीक्षण आज तक किए गए हैं, लेकिन ये विधियां बायोमेकेनिकल परीक्षण के प्रमुख पहलुओं जैसे कि प्रीकंडीशनिंग, लोडिंग दरों और माप के बीच समय को असंगत रूप से लागू करती हैं। यह पेपर एक पूरी तरह से स्वचालित लेंस संपीड़न परीक्षण का वर्णन करता है जिसमें एक मोटर चालित चरण को एक प्रीप्रोग्राम्ड लोडिंग प्रोटोकॉल में लेंस के बल, विस्थापन और आकार को पकड़ने के लिए कैमरे के साथ सिंक्रनाइज़ किया जाता है। एक विशेषता लोचदार मापांक की गणना तब इन आंकड़ों से की जा सकती है। जबकि पोर्सिन लेंस का उपयोग करके यहां प्रदर्शित किया गया है, दृष्टिकोण किसी भी प्रजाति के लेंस के संपीड़न के लिए उपयुक्त है।
Introduction
लेंस आंख में पाया जाने वाला पारदर्शी और लचीला अंग है जो इसे अपनी अपवर्तक शक्ति को बदलकर विभिन्न दूरी पर ध्यान केंद्रित करने की अनुमति देता है। इस क्षमता को आवास के रूप में जाना जाता है। सिलिअरी मांसपेशियों के संकुचन और विश्राम के कारण अपवर्तक शक्ति बदल जाती है। जब सिलिअरी मांसपेशी सिकुड़ती है, तो लेंस मोटा हो जाता है और आगे बढ़ता है, जिससे इसकी अपवर्तक शक्ति 1,2 बढ़ जाती है। अपवर्तक शक्ति में वृद्धि लेंस को आस-पास की वस्तुओं पर ध्यान केंद्रित करने की अनुमति देती है। जैसे-जैसे मनुष्यों की उम्र बढ़ती है, लेंस कठोर हो जाता है और समायोजित करने की यह क्षमता धीरे-धीरे खो जाती है; इस स्थिति को प्रेस्बायोपिया के रूप में जाना जाता है। कठोर होने का तंत्र अज्ञात रहता है, कम से कम आंशिक रूप से लेंस के बायोमैकेनिकल लक्षण वर्णन से जुड़ी कठिनाइयों के कारण।
लेंस कठोरता और बायोमैकेनिकल गुणों का अनुमान लगाने के लिए कई तरह के तरीके नियोजित किए गए हैं। इनमें लेंस कताई 3,4,5, ध्वनिक तरीके 6,7,8, ऑप्टिकल तरीके जैसे ब्रिलौइन माइक्रोस्कोपी9, इंडेंटेशन 10,11 और संपीड़न12,13 शामिल हैं। संपीड़न सबसे सुलभ प्रयोगात्मक तकनीक है क्योंकि इसे सरल इंस्ट्रूमेंटेशन (जैसे, ग्लास कवरस्लिप14,15) या एकल मोटर चालित चरण के साथ किया जा सकता है। हम पहले से दिखाया है कि कैसे लेंस के biomechanical गुणों सख्ती एक संपीड़न परीक्षण16 से अनुमान लगाया जा सकता है. यह प्रक्रिया तकनीकी रूप से चुनौतीपूर्ण है और इसके लिए विशेष सॉफ़्टवेयर की आवश्यकता होती है जो सापेक्ष कठोरता माप में रुचि रखने वाले लेंस शोधकर्ताओं के लिए आसानी से सुलभ नहीं है। इसलिए, वर्तमान अध्ययन में, हम लेंस के आकार के लिए लेखांकन करते समय लेंस के लोचदार मापांक का आकलन करने के लिए सुलभ तरीकों पर ध्यान केंद्रित करते हैं। लोचदार मापांक इसकी विकृति से संबंधित एक आंतरिक भौतिक संपत्ति है: एक उच्च लोचदार मापांक एक कठोर सामग्री से मेल खाती है।
परीक्षण स्वयं एक समानांतर प्लेट संपीड़न परीक्षण है और इसलिए उपयुक्त वाणिज्यिक यांत्रिक परीक्षण प्रणालियों पर किया जा सकता है। यहां, एक कस्टम उपकरण का निर्माण किया गया था जिसमें एक मोटर, रैखिक चरण, गति नियंत्रक, लोड सेल और एम्पलीफायर शामिल थे। इन्हें कस्टम सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके नियंत्रित किया गया था जो नियमित अंतराल पर समय, स्थिति और लोड भी दर्ज करता था। सुअर लेंस समायोजित नहीं करते हैं लेकिन आसानी से सुलभ और सस्तीहैं 17. आंख लेंस को वृद्धिशील रूप से संपीड़ित करने और इसके लोचदार मापांक को निर्धारित करने के लिए निम्नलिखित विधि विकसित की गई थी। इस विधि को आसानी से दोहराया जा सकता है और लेंस कठोरता के अध्ययन में उपयोगी होगा।
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Protocol
सुअर की आंखें एक स्थानीय बूचड़खाने से प्राप्त की गई थीं। कोई नैतिक समिति अनुमोदन की आवश्यकता नहीं थी।
1. लेंस विच्छेदन (चित्रा 1)
- सुअर की आंखों से आसपास के सभी ऊतक और श्वेतपटल से अतिरिक्त मांस निकालें, जब तक कि केवल ऑप्टिक तंत्रिका बनी रहे। इस प्रक्रिया को पूरा करने के लिए घुमावदार संदंश और छोटे विच्छेदन कैंची का प्रयोग करें. विच्छेदन के दौरान आंख को पकड़ने के लिए एक लंगर के रूप में तंत्रिका का प्रयोग करें।
- एक स्केलपेल का उपयोग करके, लिम्बस पर एक छोटा परिधीय कट बनाएं, फिर भूमध्य रेखा पर दूसरा।
नोट: लेंस और कैप्सूल को नुकसान पहुंचाने से बचने के लिए इस चरण में यह कदम उठाया जाता है। - लिंबस में कटौती में microscissors डालें और कॉर्निया की परिधि के आसपास काटने जबकि ठीक कुंद इत्तला दे दी संदंश के साथ कॉर्निया उठाने से कॉर्निया को हटा दें.
- कुंद इत्तला दे दी संदंश का उपयोग कर उठाने से परितारिका निकालें और सूक्ष्म कैंची के साथ दूर कटौती.
- भूमध्यरेखीय कट में विच्छेदन कैंची डालें, तो श्वेतपटल द्विभाजित है जब तक पूरे भूमध्य रेखा के आसपास circumferentially कटौती.
- एक बार कट पूरा हो जाने के बाद, श्वेतपटल के पीछे के हिस्से को हटा दें। संदंश के साथ धीरे कांच निकालें, लेंस को नुकसान पहुंचाने से बचने के लिए कम से कम अवशेष छोड़कर. यदि आवश्यक हो, तो पीछे के लेंस और पूर्वकाल खंड से दूर खींचने की अनुमति देने के लिए कांच के हास्य को काट लें।
- माइक्रोकैंची का उपयोग करके श्वेतपटल के माध्यम से पूर्वकाल से पीछे तक एक मेरिडियल कट बनाएं।
- श्वेतपटल के माध्यम से नए मेरिडियल कट से शुरुआत करते हुए, लेंस से ज़ोन्यूल्स को काटने के लिए माइक्रोकैंची का उपयोग करें। लेंस या विच्छेदन पकवान के किनारे के वजन का उपयोग कर, धीरे से ज़ोन्यूल्स खिंचाव जब लेंस और श्वेतपटल थोड़ा अलग खींच, microscissors लेंस और सिलिअरी शरीर के बीच कटौती करने के लिए, zonules के माध्यम से, और लेंस की परिधि के आसपास. यह लेंस कैप्सूल को नुकसान पहुंचाए बिना लेंस को अलग कर देगा यदि सही तरीके से किया जाए।
- यदि वांछित है, तो अपने भूमध्य रेखा पर कैप्सूल पंचर करने के लिए संदंश का उपयोग करके कैप्सूल को हटा दें, फिर दो संदंश का उपयोग करके कैप्सूल को छील दें।
- लेंस को फॉस्फेट-बफर खारा (पीबीएस) में रखें। यांत्रिक परीक्षण से पहले किसी भी क्षति के लिए लेंस का नेत्रहीन निरीक्षण करें।
2. लेंस संपीड़न-लेंस कैप्सूल के साथ/बिना (चित्र 2)
नोट: चरण 2.1 और 2.4 के अपवाद के साथ यहाँ सभी कदम कंप्यूटर नियंत्रित हैं।
- 1 माइक्रोन के क्रम पर विस्थापन को मापने की क्षमता के साथ 50 ग्राम-बल क्षमता लोड सेल वाले समानांतर प्लेट संपीड़न उपकरण प्राप्त करें या निर्माण करें।
- मोटर चालित चरण को प्रोग्राम करें और नीचे वर्णित लोडिंग आहार करने के लिए सेल को लोड करें (उदाहरण के लिए, पूरक फ़ाइल 1)।
- लगभग पीबीएस के साथ 1 5/8 इंच x 1 5/8 इंच का एक वर्ग बॉक्स भरें और इसे संपीड़न मंच पर रखें।
- गति की निचली सीमा और पूर्ण अंतराल ऊंचाई निर्धारित करने के लिए निचली प्लेट के संपर्क में ऊपरी प्लेट को कम करें।
- ऊपरी प्लेट को ~ 15 मिमी तक बढ़ाएं।
- लेंस को बॉक्स में केंद्रित करें, ध्यान रखें कि भूमध्यरेखीय विमान क्षैतिज है।
- ऊपरी प्लेट को करीब से कम करें, लेकिन लेंस की ऊपरी सतह के संपर्क में नहीं।
- 3 एमएन के संपर्क थ्रेशोल्ड के साथ बल प्रतिक्रिया का उपयोग करके, ऊपरी प्लेट को लेंस के संपर्क में ले जाने के लिए गति शुरू करें।
- संपर्क, रिकॉर्डिंग समय, निचली प्लेट के सापेक्ष ऊपरी प्लेट की स्थिति, और 500 हर्ट्ज पर बल के निर्धारण पर डेटा रिकॉर्डिंग शुरू करें।
- एक प्रीकंडीशनिंग लोडिंग लागू करें जहां लेंस को इसकी प्रारंभिक ऊंचाई के 2.5% से तीन बार संपीड़ित किया जाता है, फिर 5% तीन बार, फिर 7.5% तीन बार 1%/s की दर से।
- पूर्व शर्त के बाद 1 मिनट के लिए ऊपरी प्लेट स्थिर की स्थिति पकड़ो.
- 1%/s की दर से 15% संपीड़न लागू करें, इसके बाद उसी दर पर उतराई करें।
- उतराई गति जारी रखें जब तक ऊपरी प्लेट ने नीचे की प्लेट से अनलोडेड लेंस मोटाई का अतिरिक्त 2% यात्रा नहीं की है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि लेंस ऊपरी प्लेट से डी-पालन किया गया है।
3. लेंस मापांक का अनुमान
- संपर्क के बिंदु पर उपकरण के अंतराल के आधार पर लेंस की मोटाई का अनुमान लगाएं। वैकल्पिक रूप से, परीक्षण से पहले ली गई तस्वीर से मोटाई मापने के लिए छवि विश्लेषण का उपयोग करें।
- समानांतर प्लेटों के बीच एक क्षेत्र के संपीड़न के लिए हर्ट्ज मॉडल का उपयोग करके लोचदार मापांक ई की गणना करें (समीकरण [1]; पूरक फ़ाइल 2)।
(1)
जहां आर संपर्क के बिंदु पर वक्रता की त्रिज्या है (आधे लेंस मोटाई के बराबर माना जाता है); एफ लोड सेल द्वारा रिपोर्ट किया गया संपीड़न बल है; पॉइसन का अनुपात है (एक असंगत पदार्थ के अनुरूप 0.5 के बराबर माना जाता है); और u संपर्क बिंदु से ऊपरी चरण का नीचे की ओर दृष्टिकोण है। ध्यान दीजिए कि लोचदार मापांक तथा पॉइसन अनुपात क्रमशः लेंस की आंतरिक कठोरता तथा लेंस की सापेक्ष संपीड्यता को दर्शाने वाले भौतिक गुणधर्म हैं।
नोट: यह विधि लेंस कैप्सूल की किसी भी भूमिका की उपेक्षा करती है लेकिन लेंस के आकार के लिए लगभग खाता है, जिससे प्रजातियों के बीच तुलना की अनुमति मिलती है।
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Representative Results
छह पोर्सिन लेंस संपीड़ित थे, पहले कैप्सूल बरकरार थे, फिर कैप्सूल को सावधानीपूर्वक हटाने के बाद। मोटाई मान इनकैप्सुलेटेड लेंस के लिए 7.65 ± 0.43 मिमी और डिकैप्सुलेटेड लेंस (मानक विचलन ± माध्य) के लिए 6.69 ± 0.29 मिमी थे। एक विशिष्ट लोडिंग इतिहास चित्रा 3 में दिखाया गया है। परिणामी बल-विस्थापन घटता हर्ट्ज मॉडल द्वारा अच्छी तरह से फिट किए गए थे (यानी, उनके पास 1.5 की शक्ति तक उठाए गए विस्थापन के आनुपातिक बल था; चित्रा 4)। यह एन्कैप्सुलेटेड और डिकैप्सुलेटेड लेंस दोनों के लिए सच था।
लेंस को पहले एक अक्षुण्ण कैप्सूल के साथ उनकी अनलोड मोटाई के 15% द्वारा संकुचित किया गया था, फिर कैप्सूल को हटाने के बाद। प्रारंभिक मोटाई के 15% द्वारा अक्षीय संपीड़न पहले लेंस टांके18 को नुकसान का कारण नहीं दिखाया गया है. डिकैप्सुलेशन के परिणामस्वरूप प्रभावी लोचदार मापांक में उल्लेखनीय कमी आई (एन = 6; पी = 0.0138; चित्रा 5)।
चित्रा 1: विच्छेदन तकनीक। (ए) असाधारण ऊतकों को हटा दिया जाता है। (बी) लिम्बस पर एक परिधीय कटौती की जाती है। (C) भूमध्य रेखा पर एक परिधीय कटौती की जाती है। (डी) कॉर्निया हटा दिया जाता है। (ई) परितारिका हटा दी जाती है। (एफ) आंख को भूमध्य रेखा पर विभाजित किया जाता है, फिर (जी) कांच को हटा दिया जाता है, जिससे (एच) एक कुंडलाकार अंगूठी होती है जिसमें लेंस, सिलिअरी बॉडी और ज़ोन्यूल्स अभी भी श्वेतपटल से जुड़े होते हैं। (I) श्वेतपटल के माध्यम से एक मेरिडियल कट बनाया जाता है (J) ज़ोन्यूल्स तक पहुंच प्रदान करता है, (K) जो (L) को इनकैप्सुलेटेड लेंस छोड़कर कट जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 2: संपीड़न परीक्षण उपकरण। (ए) योजनाबद्ध और (बी) लेंस संपीड़न तंत्र की तस्वीर। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 3: एक समझाया पोर्सिन लेंस के लिए एप्लाइड लोडिंग इतिहास। शीर्ष: विस्थापन इतिहास। नीचे: बल इतिहास। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 4: विशिष्ट बल-विस्थापन डेटा हर्ट्ज मॉडल के साथ फिट किया गया। बाएं: एक इनकैप्सुलेटेड पोर्सिन लेंस के लिए डेटा। दाएं: डिकैप्सुलेशन के बाद एक ही लेंस के लिए संपीड़न डेटा। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 5: बॉक्स और मूंछ साजिश encapsulated और decapsulated पोर्सिन लेंस प्रभावी लोचदार मापांक की। इनकैप्सुलेटेड लेंस का प्रभावी मापांक डिकैप्सुलेटेड लेंस (पी = 0.013) की तुलना में काफी अधिक था, यह दर्शाता है कि कैप्सूल की उपस्थिति लेंस की प्रभावी कठोरता को काफी हद तक बदल सकती है। डेटा छह लेंस के लिए हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
पूरक फ़ाइल 1: लेंस संपीड़न उपकरण को नियंत्रित करने के लिए MATLAB अनुप्रयोग। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.
पूरक फ़ाइल 2: बल-संपीड़न डेटा से लोचदार मापांक का अनुमान लगाने के लिए MATLAB फ़ंक्शन। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.
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Discussion
लेंस संपीड़न लेंस कठोरता का अनुमान लगाने के लिए एक बहुमुखी विधि है। ऊपर वर्णित प्रक्रियाएं विभिन्न प्रजातियों और विभिन्न आकारों के लेंस के बीच तुलना की अनुमति देती हैं। सभी विकृतियों को लेंस के आकार के खिलाफ सामान्यीकृत किया जाता है, और लोचदार मापांक की गणना लेंस के आकार के लिए लगभग होती है। प्रभावी मापांक पोर्सिन लेंस 4,7,11,19 के लिए पहले रिपोर्ट किए गए मापांक की तुलना में काफी अधिक है, कम से कम वक्रता की त्रिज्या के बजाय मोटाई के उपयोग के कारण भाग में: पोर्सिन लेंस की वक्रता की ध्रुवीय त्रिज्या मोटाई20 के आधे से काफी बड़ी है।
यहां प्रस्तुत सरल विश्लेषण (यानी, हर्ट्ज मॉडल का उपयोग) की कई प्रमुख सीमाएं हैं। सबसे पहले, यह लेंस कैप्सूल की उपस्थिति के लिए जिम्मेदार नहीं है। यह कैप्सूल की उपस्थिति काफी लेंस16,21 के biomechanical गुणों को बदल सकते हैं कि दिखाया गया है. इसलिए, यह विधि डिकैप्सुलेटेड लेंस पर सबसे अच्छी तरह से लागू होती है। यह विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जब उन मामलों में प्रजातियों की तुलना की जाती है जहां कैप्सूल में काफी भिन्न मोटाई या बायोमेकेनिकल गुण हो सकते हैं। यह विधि यह भी मानती है कि लेंस यांत्रिक रूप से सजातीय है; हमने और अन्य लोगों ने पहले दिखाया है कि यह आम तौर पर पोर्सिन या मानव लेंस 4,5,6,10,11,22 के मामले में नहीं है। इस प्रकार, एक प्रभावी मापांक के रूप में गणना किए गए लोचदार मापांक मान पर विचार करना सबसे अच्छा है, जो संभवतः लेंस के भीतर स्थानिक रूप से भिन्न मापांक के वॉल्यूमेट्रिक औसत से संबंधित है। हर्ट्ज मॉडल मानता है कि लेंस रैखिक रूप से लोचदार है, जबकि इसे विस्कोलेस्टिक के रूप में जाना जाता है; इस प्रकार, यहां प्रस्तावित सरल विश्लेषण लेंस चिपचिपाहट के बारे में जानकारी प्रदान करने में असमर्थ है। पिछले काम से यह भी पता चला है कि परीक्षण से पहले लेंस भंडारण की विधि और अवधि लेंस गुणों को बदल सकतीहै 4; इसलिए प्रयोगशाला में आने पर विच्छेदन के तुरंत बाद सभी पोर्सिन लेंस का परीक्षण किया गया था।
बल-विस्थापन माप में अंतर लोड सेल एम्पलीफायर से शोर के कारण होता है: कैप्सूल को हटाने से बल माप काफी कम हो जाता है, और इसलिए सिग्नल-टू-शोर अनुपात कम होता है। हर्ट्ज मॉडल को प्राप्त करने में उपयोग की जाने वाली मान्यताओं में महत्वपूर्ण रूप से शामिल हैं कि गोला एक सजातीय सामग्री है; इसलिए, प्रभावी लोचदार मापांक किसी तरह लेंस और उसके कैप्सूल की विकृति का औसत है जब कैप्सूल मौजूद होता है। यह अंतर-प्रजातियों और अंतर-आयु तुलनाओं को विशेष रूप से कठिन बनाता है क्योंकि एक पोर्सिन लेंस में कैप्सूल ~ 60 माइक्रोन मोटा होता है, जबकि एक माउस या मानव लेंस में 5-15 माइक्रोन मोटी सीमा में एक कैप्सूल होता है। कैप्सूल का लोचदार मापांक प्रजातियों और उम्र के साथ भी भिन्न हो सकता है, हालांकि ये निर्भरताएं अज्ञात हैं। इस प्रकार, जबकि कैप्सूल के साथ कम शोर फिट होना संभव है, कैप्सूल की उपस्थिति से तुलना स्वाभाविक रूप से भ्रमित है-यही कारण है कि हम कैप्सूल के बिना परीक्षण करने की सलाह देते हैं।
अंत में, प्रभावी मापांक की गणना यह मानते हुए की गई थी कि वक्रता की त्रिज्या लेंस की मोटाई की आधी थी। यह केवल एक गोलाकार लेंस के लिए सच है; पोर्सिन लेंस काफी गोलाकार है और इसलिए प्रभावी मापांक मान काफी अधिक हैं यदि इसके बजाय वक्रता की त्रिज्या का उपयोग किया गया था। इस अंतिम धारणा को वक्रता की त्रिज्या को मापकर दूर किया जा सकता है, हालांकि यह निचली सतह के लिए जटिल हो सकता है जो निचली प्लेट के संपर्क के कारण हमेशा सपाट होता है। यह अधिक गोलाकार लेंस जैसे कि murine लेंस के लिए भी कम महत्वपूर्ण है। बेहतर अभी भी लेंस16 के यांत्रिक गुणों का पता लगाने के लिए व्युत्क्रम परिमित तत्व विश्लेषण का उपयोग है.
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Disclosures
लेखकों के पास घोषित करने के लिए हितों का कोई टकराव नहीं है।
Acknowledgments
राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान अनुदान R01 EY035278 (MR) द्वारा समर्थित।
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Curved Medium Point General Purpose Forceps | Fisherbrand | 16-100-110 | |
Galil COM Libraries | Galil Motion Control | ||
High Precision Scalpel Handle | Fisherbrand | 12-000-164 | |
Linear Stage | McMaster-Carr | 6734K4 0.125" | |
Load Cell | FUTEK | LSB200-FSH03869 | |
Load Cell Amplifier | FUTEK | IAA300-FSH03931 | |
MATLAB | The Mathworks, Inc. | ||
Microprobe | Surgical Design | 22-079-740 | |
Miniature Self Opening Precision Scissors | Excelta | 63042-004 | |
Motion Controller | Galil Motion Control | DMC-31012 | |
Motor | Galil Motion Control | BLM-N23-50-1000-B | |
Straight Hemastats | Fine Science | NC9247203 | stainless steel, 14cm |
References
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