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Nuovo promettente microscopio stampato in 3D per la diagnostica medica nei paesi in via di sviluppo

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I ricercatori hanno utilizzato la stampa 3D per realizzare un microscopio portatile ad alta risoluzione, economico e portatile, piccolo e abbastanza robusto da poter essere utilizzato sul campo o al capezzale. Le immagini 3D ad alta risoluzione fornite dallo strumento potrebbero potenzialmente essere utilizzate per rilevare diabete, falcemia, malaria e altre malattie.

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"Questo nuovo microscopio non richiede alcuna colorazione speciale o etichette e potrebbe contribuire ad aumentare l'accesso a test diagnostici medici a basso costo," ha detto il leader del team di ricerca Bahram Javidi dell'Università del Connecticut. "Questo sarebbe particolarmente utile nelle parti del mondo in via di sviluppo, dove l'accesso all'assistenza sanitaria è limitato e le strutture diagnostiche ad alta tecnologia sono poche"

I ricercatori descrivono il loro nuovo microscopio, basato sulla microscopia olografica digitale, nella rivista Optical Society (OSA) Optics Letters. Lo strumento portatile produce immagini 3D con una risoluzione doppia rispetto alla tradizionale microscopia olografica digitale, che viene tipicamente eseguita su un tavolo ottico in laboratorio. Oltre che per applicazioni biomediche, potrebbe essere utile anche per la ricerca, la produzione, la difesa e l'istruzione.

"L'intero sistema è composto da parti stampate in 3D e componenti ottici di uso comune, il che lo rende economico e facile da replicare", ha detto Javidi. "Sorgenti laser e sensori d'immagine alternativi ridurrebbero ulteriormente il costo e si stima che una singola unità potrebbe essere riprodotta per diverse centinaia di dollari. Anche la produzione in serie dell'unità ridurrebbe notevolmente i costi"

Dal laboratorio al campo pronto per l'uso

Nella microscopia olografica digitale tradizionale, una fotocamera digitale registra un ologramma prodotto dall'interferenza tra un'onda luminosa di riferimento e la luce proveniente dal campione. Un computer converte poi questo ologramma in un'immagine 3D del campione. Sebbene questo approccio alla microscopia sia utile per lo studio delle cellule senza etichette o coloranti, richiede tipicamente una complessa configurazione ottica e un ambiente stabile e privo di vibrazioni e fluttuazioni di temperatura che possono introdurre rumore nelle misure. Per questo motivo, i microscopi olografici digitali si trovano generalmente solo in laboratorio.

I ricercatori sono stati in grado di aumentare la risoluzione della microscopia olografica digitale al di là di quanto è possibile con l'illuminazione uniforme, combinandola con una tecnica di super-risoluzione nota come microscopia a illuminazione strutturata. Lo hanno fatto generando un pattern luminoso strutturato utilizzando un compact disc chiaro.

"La stampa 3D del microscopio ci ha permesso di allineare in modo preciso e permanente i componenti ottici necessari per migliorare la risoluzione e rendere il sistema molto compatto", ha detto Javidi.

Test del nuovo microscopio

I ricercatori hanno valutato le prestazioni del sistema registrando immagini di un grafico di risoluzione e quindi utilizzando un algoritmo per ricostruire immagini ad alta risoluzione. Ciò ha dimostrato che il nuovo sistema di microscopia può risolvere caratteristiche fino a 0,775 micron, con una risoluzione doppia rispetto ai sistemi tradizionali. L'uso di una sorgente luminosa con lunghezze d'onda più corte migliorerebbe ulteriormente la risoluzione.

Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che il sistema è sufficientemente stabile per analizzare le fluttuazioni delle cellule biologiche nel tempo, che devono essere misurate su una scala di poche decine di nanometri. I ricercatori hanno poi dimostrato l'applicabilità del dispositivo per l'imaging biologico acquisendo un'immagine ad alta risoluzione di un'alga verde.

"Il nostro design fornisce un sistema altamente stabile e ad alta risoluzione", ha detto Javidi. "Questo è molto importante per esaminare le strutture e le dinamiche subcellulari, che possono avere dettagli e fluttuazioni molto piccoli"

I ricercatori dicono che il sistema attuale è pronto per l'uso pratico. Hanno in programma di utilizzarlo per applicazioni biomediche come l'identificazione cellulare e la diagnosi delle malattie e continueranno la loro collaborazione con i loro partner internazionali per studiare l'identificazione delle malattie in aree remote con accesso limitato alle cure sanitarie. Stanno inoltre lavorando per migliorare ulteriormente la risoluzione e il rapporto segnale/rumore del sistema senza aumentare il costo del dispositivo.