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Nuevo microscopio impreso en 3D prometedor para el diagnóstico médico en los países en desarrollo

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Los investigadores han utilizado la impresión en 3D para fabricar un microscopio de alta resolución barato y portátil que es lo suficientemente pequeño y robusto como para utilizarlo en el campo o junto a la cama. Las imágenes 3D de alta resolución proporcionadas por el instrumento podrían utilizarse potencialmente para detectar diabetes, anemia drepanocítica, malaria y otras enfermedades.

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"Este nuevo microscopio no requiere ninguna tinción o etiqueta especial y podría ayudar a aumentar el acceso a pruebas de diagnóstico médico de bajo costo", dijo el líder del equipo de investigación Bahram Javidi de la Universidad de Connecticut. "Esto sería especialmente beneficioso en las partes en desarrollo del mundo donde hay un acceso limitado a la atención médica y pocas instalaciones de diagnóstico de alta tecnología"

Los investigadores describen su nuevo microscopio, basado en la microscopía holográfica digital, en la revista Optics Letters de The Optical Society (OSA). El instrumento portátil produce imágenes 3D con el doble de resolución que la microscopía holográfica digital tradicional, que normalmente se realiza en una mesa óptica en un laboratorio. Además de las aplicaciones biomédicas, también podría ser útil para la investigación, la fabricación, la defensa y la educación.

"Todo el sistema consta de piezas impresas en 3D y componentes ópticos comunes, lo que hace que sea económico y fácil de replicar", dijo Javidi. "Las fuentes láser y los sensores de imagen alternativos reducirían aún más el costo, y estimamos que una sola unidad podría ser reproducida por varios cientos de dólares. La producción en masa de la unidad también reduciría sustancialmente el costo"

Del laboratorio al campo listo

En la microscopía holográfica digital tradicional, una cámara digital graba un holograma producido a partir de la interferencia entre una onda de luz de referencia y la luz procedente de la muestra. Una computadora entonces convierte este holograma en una imagen 3D de la muestra. Aunque este enfoque de microscopía es útil para estudiar células sin etiquetas ni colorantes, normalmente requiere una configuración óptica compleja y un entorno estable libre de vibraciones y fluctuaciones de temperatura que pueden introducir ruido en las mediciones. Por esta razón, los microscopios holográficos digitales generalmente sólo se encuentran en laboratorios.

Los investigadores pudieron aumentar la resolución de la microscopía holográfica digital más allá de lo que es posible con una iluminación uniforme, combinándola con una técnica de súper resolución conocida como microscopía de iluminación estructurada. Lo hicieron generando un patrón de luz estructurado usando un disco compacto claro.

"La impresión en 3D del microscopio nos permitió alinear de forma precisa y permanente los componentes ópticos necesarios para mejorar la resolución y, al mismo tiempo, hacer que el sistema sea muy compacto", dijo Javidi.

Probando el nuevo microscopio

Los investigadores evaluaron el rendimiento del sistema grabando imágenes de una tabla de resolución y luego usando un algoritmo para reconstruir imágenes de alta resolución. Esto demostró que el nuevo sistema de microscopía podía resolver características tan pequeñas como 0,775 micras, el doble de la resolución de los sistemas tradicionales. El uso de una fuente de luz con longitudes de onda más cortas mejoraría aún más la resolución.

Experimentos adicionales demostraron que el sistema era lo suficientemente estable como para analizar las fluctuaciones en las células biológicas a lo largo del tiempo, las cuales necesitan ser medidas en la escala de unas pocas decenas de nanómetros. Los investigadores luego demostraron la aplicabilidad del dispositivo para la imagenología biológica mediante la adquisición de una imagen de alta resolución de una alga verde.

"Nuestro diseño proporciona un sistema altamente estable y de alta resolución", dijo Javidi. "Esto es muy importante para examinar estructuras y dinámicas subcelulares, que pueden tener detalles y fluctuaciones muy pequeñas."

Los investigadores dicen que el sistema actual está listo para su uso práctico. Planean utilizarlo para aplicaciones biomédicas como la identificación de células y el diagnóstico de enfermedades y continuarán su colaboración con sus socios internacionales para investigar la identificación de enfermedades en áreas remotas con acceso limitado a la atención sanitaria. También están trabajando para mejorar aún más la resolución y la relación señal/ruido del sistema sin aumentar el costo del dispositivo.