Neues 3D-gedrucktes Mikroskop, vielversprechend für die medizinische Diagnostik in Entwicklungsländern

Forscher haben den 3D-Druck verwendet, um ein kostengünstiges und tragbares, hochauflösendes Mikroskop herzustellen, das klein und robust genug ist, um es im Feld oder am Krankenbett zu verwenden. Die hochauflösenden 3D-Bilder, die das Instrument bereitstellt, könnten möglicherweise zur Erkennung von Diabetes, Sichelzellen, Malaria und anderen Krankheiten verwendet werden.

“Dieses neue Mikroskop erfordert keine speziellen Färbungen oder Etiketten und könnte dazu beitragen, den Zugang zu kostengünstigen medizinischen Diagnosetests zu verbessern”, sagte der Leiter des Forschungsteams, Bahram Javidi von der University of Connecticut. “Dies wäre besonders vorteilhaft für die Entwicklung von Teilen der Welt, in denen der Zugang zu Gesundheitsleistungen und wenigen High-Tech-Diagnoseanlagen begrenzt ist.”

Die Forscher beschreiben ihr neues Mikroskop, das auf digitaler holographischer Mikroskopie basiert, in der Zeitschrift Optics Letters von The Optical Society (OSA). Das tragbare Instrument erzeugt 3D-Bilder mit der doppelten Auflösung der herkömmlichen digitalen holographischen Mikroskopie, die normalerweise auf einem optischen Tisch in einem Labor durchgeführt wird. Neben biomedizinischen Anwendungen könnte es auch für Forschung, Produktion, Verteidigung und Bildung von Nutzen sein.

“Das gesamte System besteht aus 3D-gedruckten Teilen und häufig vorkommenden optischen Komponenten, wodurch es kostengünstig und einfach zu replizieren ist”, sagte Javidi. “Alternative Laserquellen und Bildsensoren würden die Kosten weiter senken, und wir schätzen, dass eine einzelne Einheit für mehrere hundert Dollar reproduziert werden könnte. Die Massenproduktion der Einheit würde auch die Kosten erheblich reduzieren.”

Bei der herkömmlichen digitalen holographischen Mikroskopie zeichnet eine Digitalkamera ein Hologramm auf, das durch Interferenz zwischen einer Referenzlichtwelle und dem von der Probe kommenden Licht erzeugt wird. Ein Computer konvertiert dieses Hologramm dann in ein 3D-Bild der Probe. Obwohl dieser Mikroskopieansatz für die Untersuchung von Zellen ohne Markierungen oder Farbstoffe nützlich ist, erfordert er typischerweise einen komplexen optischen Aufbau und eine stabile Umgebung, die frei von Vibrationen und Temperaturschwankungen ist, die bei den Messungen Rauschen verursachen können. Aus diesem Grund sind digitale holographische Mikroskope im Allgemeinen nur in Laboratorien zu finden.

Die Forscher konnten die Auflösung der digitalen holographischen Mikroskopie über die Möglichkeiten der gleichmäßigen Beleuchtung hinaus durch eine Kombination mit einer Superauflösungsmethode verbessern, die als strukturierte Beleuchtungsmikroskopie bezeichnet wird. Dies wurde durch die Erzeugung eines strukturierten Lichtmusters unter Verwendung einer klaren CD erreicht.

“Dank des 3D-Drucks des Mikroskops konnten wir die optischen Komponenten präzise und dauerhaft ausrichten, um die Auflösung zu verbessern und das System sehr kompakt zu machen”, sagte Javidi.

Die Forscher bewerteten die Systemleistung, indem sie Bilder eines Auflösungsdiagramms aufnahmen und dann einen Algorithmus zur Rekonstruktion von Bildern mit hoher Auflösung verwenden. Dies zeigte, dass das neue Mikroskopiesystem Merkmale von nur 0,775 Mikrometern auflösen kann, was die Auflösung herkömmlicher Systeme verdoppelt. Die Verwendung einer Lichtquelle mit kürzeren Wellenlängen würde die Auflösung noch weiter verbessern.

Weitere Experimente zeigten, dass das System stabil genug war, um Schwankungen in biologischen Zellen im Zeitverlauf zu analysieren, die im Maßstab von einigen zehn Nanometern gemessen werden müssen. Die Forscher demonstrierten die Anwendbarkeit des Geräts für die biologische Bildgebung, indem sie ein hochaufgelöstes Bild einer Grünalge aufnehmen.

“Unser Design bietet ein hochstabiles System mit hoher Auflösung”, sagte Javidi. “Dies ist sehr wichtig für die Untersuchung subzellulärer Strukturen und Dynamiken, die bemerkenswert kleine Details und Schwankungen aufweisen können.”

Die Forscher sagen, dass das derzeitige System für den praktischen Einsatz bereit ist. Sie planen, sie für biomedizinische Anwendungen wie die Zellidentifizierung und die Diagnose von Krankheiten einzusetzen, und wird ihre Zusammenarbeit mit ihren internationalen Partnern fortsetzen, um die Erkennung von Krankheiten in abgelegenen Gebieten mit eingeschränktem Zugang zur Gesundheitsversorgung zu untersuchen. Sie arbeiten auch daran, die Auflösung und das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems weiter zu verbessern, ohne die Kosten des Geräts zu erhöhen.