I ricercatori hanno utilizzato la stampa 3D per realizzare un microscopio 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 essere potenzialmente utilizzate per rilevare il diabete, anemia falciforme, malaria e altre malattie.

"Questo nuovo microscopio non richiede alcuna colorazione o etichetta speciale e potrebbe aiutare ad aumentare l'accesso a test diagnostici medici a basso costo, ", ha affermato il leader del gruppo di ricerca Bahram Javidi dell'Università del Connecticut. "Ciò sarebbe particolarmente utile per lo sviluppo di parti del mondo dove c'è un accesso limitato all'assistenza sanitaria e poche strutture diagnostiche ad alta tecnologia".

I ricercatori descrivono il loro nuovo microscopio, che si basa sulla microscopia olografica digitale, nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica . 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 un laboratorio. Oltre alle applicazioni biomediche, potrebbe essere utile anche per la ricerca, produzione, difesa ed educazione.

"L'intero sistema è costituito da parti stampate in 3D e componenti ottici comunemente trovati, rendendolo economico e facile da replicare, " ha affermato Javidi. "Sorgenti laser e sensori di immagine alternativi ridurrebbero ulteriormente il costo, e stimiamo che una singola unità potrebbe essere riprodotta per diverse centinaia di dollari. Anche la produzione di massa dell'unità ridurrebbe sostanzialmente i costi".

Dal laboratorio al campo pronto

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

I ricercatori sono stati in grado di aumentare la risoluzione della microscopia olografica digitale oltre ciò che è possibile con un'illuminazione uniforme combinandola con una tecnica a super risoluzione nota come microscopia a illuminazione strutturata. Lo hanno fatto generando un modello di luce strutturato utilizzando un compact disc trasparente.

"La stampa 3D del microscopio ci ha permesso di allineare in modo preciso e permanente i componenti ottici necessari per fornire il miglioramento della risoluzione e allo stesso tempo rendere il sistema molto compatto, " ha detto Giavidi.

Testare il 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 potrebbe risolvere caratteristiche fino a 0,775 micron, raddoppiare la risoluzione dei sistemi tradizionali. L'utilizzo di una sorgente luminosa con lunghezze d'onda più corte migliorerebbe ulteriormente la risoluzione.

Ulteriori esperimenti hanno mostrato che il sistema era abbastanza stabile da analizzare le fluttuazioni delle cellule biologiche nel tempo, che devono essere misurati sulla 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 ad alta risoluzione, " ha detto Javidi. "Questo è molto importante per esaminare le strutture e le dinamiche subcellulari, che può avere dettagli e fluttuazioni notevolmente piccoli."

I ricercatori affermano che l'attuale sistema è pronto per l'uso pratico. Hanno in programma di usarlo per applicazioni biomediche come l'identificazione cellulare e la diagnosi delle malattie e continueranno la loro collaborazione con i loro partner internazionali per indagare sull'identificazione delle malattie in aree remote con accesso limitato all'assistenza sanitaria. Stanno anche lavorando per migliorare ulteriormente la risoluzione e il rapporto segnale-rumore del sistema senza aumentare il costo del dispositivo.