I ricercatori sviluppano un microscopio modulare conveniente stampato in 3D “UC2”
I moderni microscopi che rendono visibili i processi biologici costano molto, si trovano in laboratori specializzati e richiedono personale altamente qualificato. Pertanto, tali strumenti scientifici sono principalmente riservati agli scienziati di istituti di ricerca ben attrezzati nei paesi ricchi.
Un giovane gruppo di ricerca di Leibniz-IPHT, Università Friedrich Schiller e Ospedale universitario di Jena vuole cambiare la situazione. I ricercatori hanno sviluppato un kit di costruzione ottica con cui è possibile costruire microscopi per poche centinaia di euro che forniscono immagini ad alta risoluzione come i microscopi commerciali. Il vantaggio, tuttavia, è che il dispositivo costa solo una frazione.
Con i piani di costruzione open source, i componenti della stampante 3D e della fotocamera dello smartphone, il sistema modulare UC2 (You. See. Too.) Può essere combinato a seconda della domanda di ricerca: dall’osservazione a lungo termine degli organismi viventi nell’incubatrice all’uso nell’incubatrice Formazione ottica. Il team di ricerca presenterà il suo sviluppo sulla rinomata rivista Nature Communications il 25 novembre 2020.
L’elemento costitutivo di base del sistema UC2 è un cubo stampabile in 3D con una lunghezza del bordo di 5 centimetri, in cui è possibile installare componenti come obiettivi, LED o telecamere. Molti di questi cubi sono posti su una piastra di base a griglia magnetica. Sapientemente disposti, i moduli si trasformano in un potente strumento ottico.
Un concetto ottico in cui i piani focali di lenti consecutive coincidono è la base delle strutture ottiche più complesse, compresi i moderni microscopi. Con il kit di costruzione UC2, il gruppo di ricerca dei dottorandi del gruppo di microscopia guidato dal Prof.Dr. Rainer Heintzmann di Leibniz-IPHT e l’Università di Jena possono sperimentare nella pratica questo processo intrinsecamente modulare. UC2 offre agli utenti senza formazione tecnica uno strumento ottico che possono utilizzare, modificare ed espandere, a seconda di ciò che stanno cercando.
Osserva gli agenti patogeni
Helge Ewers, professore di biochimica presso la Libera Università di Berlino e la Charité, utilizza il kit di costruzione UC2 per esaminare i patogeni. “Il sistema UC2 ci consente di produrre un microscopio di alta qualità a basso costo con il quale possiamo osservare le cellule viventi in un incubatore”, riferisce. UC2 apre così aree di applicazione per la ricerca biomedica per cui i microscopi convenzionali non sono adatti.
“I microscopi commerciali con cui è possibile esaminare i patogeni per un periodo di tempo più lungo costano da cento a mille volte di più della nostra configurazione UC2”, afferma Benedict Diederich, studente di dottorato presso Leibniz-IPHT, che ha sviluppato il kit di costruzione ottica lì insieme a René Lachmann.
“Quasi mai li introduci di nascosto in un laboratorio contaminato, dal quale potresti non essere in grado di portarli fuori, perché la pulizia non è facilmente possibile.” Il microscopio in plastica UC2, d’altra parte, può semplicemente essere bruciato o bruciato dopo un uso riuscito nel laboratorio di sicurezza biologica riciclare. Per uno studio presso l’ospedale universitario di Jena, il team di UC2 ha osservato lo sviluppo di monociti in macrofagi nell’incubatrice per un periodo di una settimana al fine di esaminare la crescita e il comportamento nutrizionale di questi fagociti del sistema immunitario.
Costruire secondo il principio Lego: velocemente dall’idea al prototipo
Il team di UC2 ha osservato che la costruzione basata sul principio Lego non solo ha suscitato la giocosità interiore dell’utente, ma ha anche aperto nuove possibilità ai ricercatori di adattare uno strumento proprio per la loro domanda di ricerca.
“Con il nostro metodo, il dispositivo giusto può essere assemblato rapidamente per mappare determinate cellule”, spiega Benedict Diederich. “Se, ad esempio, è richiesta una lunghezza d’onda rossa come eccitazione, è sufficiente installare il laser appropriato e sostituire il filtro. Se hai bisogno di un microscopio invertito, impila i cubi di conseguenza “. Con il sistema UC2, gli elementi possono essere combinati a seconda della risoluzione, stabilità, durata o metodo di microscopia richiesti e testati direttamente utilizzando il metodo di” prototipazione rapida “.
Scienza aperta: progetti e software su GitHub
I ricercatori archiviano i piani di costruzione e il software sul repository online liberamente accessibile GitHub in modo che chiunque nel mondo possa accedervi, replicare, modificare ed espandere le strutture. “Con il feedback degli utenti, miglioriamo il sistema poco a poco e vi aggiungiamo nuove soluzioni creative”, afferma René Lachmann. I primi utenti hanno già iniziato ad espandere il sistema per se stessi e per i propri scopi. “Siamo entusiasti di vedere quando potremo presentare le prime soluzioni per gli utenti”.
L’obiettivo alla base di questo è consentire la scienza aperta. Grazie alla documentazione dettagliata, i ricercatori in qualsiasi parte del mondo, anche al di là dei laboratori ben attrezzati, possono riprodurre e sviluppare esperimenti. “Change in Paradigm: Science for a Dime” è ciò che Benedict Diederich chiama questa visione: inaugurare un cambio di paradigma in cui il processo scientifico è liberamente accessibile a tutti nel modo più aperto e trasparente possibile ei ricercatori condividono le loro conoscenze tra loro e le incorporano nel loro lavoro.
UC2: The Box
Al fine di ispirare i giovani oltre la comunità scientifica per l’ottica, il team di ricerca ha sviluppato un kit di costruzione specifico per la formazione nelle scuole e nelle università.
“UC2: The Box” contiene un kit sofisticato con il quale gli utenti possono conoscere e provare concetti ottici e metodi di microscopia. “I componenti possono essere combinati per formare un proiettore o un telescopio; puoi costruire uno spettrometro o un microscopio per smartphone “, spiega Barbora Maršíková, che ha sviluppato gli esperimenti e li ha testati con il team UC2 in diversi workshop a Jena negli Stati Uniti, Gran Bretagna e Norvegia. A Jena, i giovani ricercatori hanno già utilizzato il loro kit di costruzione in diverse scuole e, ad esempio, hanno supportato gli scolari nella costruzione di un microscopio a fluorescenza per rilevare le microplastiche. “Abbiamo combinato UC2 con il nostro smartphone.
“Vogliamo rendere le tecniche moderne accessibili a un vasto pubblico”, afferma Benedict Diederich, “e costruire una comunità di microscopia aperta e creativa”. Soprattutto nei tempi dell’istruzione domiciliare della pandemia della corona, gli scolari possono accedere facilmente ai loro materiali didattici a casa costruire.
Ulteriori informazioni possono essere utilizzate nell’articolo tecnico “Uno standard aperto stampato in 3D a basso costo versatile e personalizzabile per l’imaging microscopico”
filesitrovano su github a quest indirizzo github.com/bionanoimaging/UC2-GIT
