La caja de herramientas ópticas de código abierto ofrece imágenes de alta resolución por una pequeña fracción del precio

El cubo impreso en 3D de código abierto puede albergar inserciones de diseño propio, componentes eléctricos y ópticos. Los módulos resultantes se pueden combinar para formar instrumentos ópticos complejos. Esto permite que el teléfono inteligente se transforme en un poderoso microscopio en muy poco tiempo, y en casi cualquier lugar de la tierra, para plantear y responder preguntas completamente nuevas a la ciencia. Crédito: UC2

El sistema de código abierto de la impresora 3D ofrece imágenes de alta resolución como microscopios comerciales a un precio cientos de veces superior.
Los microscopios modernos que se utilizan para la obtención de imágenes biológicas son costosos, se encuentran en laboratorios especializados y requieren personal altamente calificado. Por lo tanto, investigar enfoques novedosos y creativos para abordar problemas científicos urgentes, por ejemplo, en la lucha contra enfermedades infecciosas como Covid-19, está principalmente reservado para científicos de instituciones de investigación bien equipadas en países ricos.

Un joven equipo de investigación del Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica (Leibniz IPHT) en Jena, la Universidad Friedrich Schiller y el Hospital Universitario de Jena quiere cambiar esto: los investigadores han desarrollado una caja de herramientas ópticas para construir microscopios por unos cientos de euros que ofrecen altos Imágenes de resolución comparable a los microscopios comerciales que cuestan entre cien y mil veces más. Con planos de código abierto, componentes de la impresora 3D y la cámara del teléfono inteligente, el sistema modular UC2 (You. See. Too.) Se puede combinar específicamente en la forma en que lo requiere la pregunta de investigación: a partir de la observación a largo plazo de organismos vivos en la incubadora. a una caja de herramientas para la educación óptica. El equipo de investigación presenta su desarrollo el 25 de noviembre de 2020 en la reconocida revista Comunicaciones de la naturaleza.

Equipo UC2

Tan potente como un microscopio comercial, tan práctico como un microscopio de juguete. El equipo de desarrollo de UC2: Benedict Diederich, René Lachmann y Barbora Maršíková (desde la izquierda) con un microscopio ensamblado con su caja de herramientas UC2. Crédito: Leibniz-IPHT

El bloque de construcción básico del sistema UC2 es un simple cubo imprimible en 3D con una longitud de borde de 5 centímetros, que puede albergar una variedad de componentes como lentes, LED o cámaras. Varios de estos cubos están conectados a una placa base de trama magnética. Dispuestos inteligentemente, los módulos dan como resultado un potente instrumento óptico. Un concepto óptico según el cual coinciden los planos focales de lentes adyacentes es la base de la mayoría de las configuraciones ópticas complejas, como los microscopios modernos.

Con la caja de herramientas UC2, el equipo de investigación de estudiantes de doctorado en el laboratorio del Prof. El Dr. Rainer Heintzmann, Leibniz IPHT y Friedrich Schiller University Jena, muestra cómo este proceso inherentemente modular se puede entender intuitivamente en experimentos prácticos. De esta forma, UC2 también proporciona a los usuarios sin formación técnica una herramienta óptica que pueden utilizar, modificar y ampliar, dependiendo de lo que estén investigando.

Controle los patógenos y luego recicle el microscopio contaminado

Benedict Diederich y Rene Lachmann

Con UC2, los usuarios pueden montar su propio microscopio de acuerdo con el principio de Lego. De esta manera, Benedict Diederich (izquierda) y René Lachmann no solo despiertan el instinto de juego interno, sino que también abren posibilidades completamente nuevas para que los investigadores adapten una herramienta precisamente a su pregunta de investigación. Crédito: Sven Döring / Leibniz-IPHT

Helge Ewers, profesor de bioquímica en la Universidad Libre de Berlín y la Charité, está investigando patógenos utilizando la caja de herramientas UC2. “El sistema UC2 nos permite producir un microscopio de alta calidad a bajo costo, con el que podemos observar células vivas en una incubadora”, afirma. UC2 abre así campos de aplicación para la investigación biomédica para los que los microscopios convencionales no son adecuados.

“Los microscopios comerciales que se pueden usar para examinar patógenos durante un período de tiempo más largo cuestan cientos o miles de veces más que nuestra configuración UC2”, dice Benedict Diederich, estudiante de doctorado en Leibniz-IPHT, quien desarrolló la caja de herramientas ópticas junto con René Lachmann. . «Difícilmente puede llevarlos a un laboratorio contaminado del que no podrá sacarlos porque no se pueden limpiar fácilmente».

El microscopio UC2 ​​hecho de plástico, por otro lado, se puede quemar o reciclar fácilmente después de su uso exitoso en el laboratorio de seguridad biológica. Para un estudio en el Hospital de la Universidad de Jena, el equipo de UC2 observó la diferenciación de monocitos en macrófagos en la incubadora durante un período de una semana con el fin de obtener información sobre cómo el sistema inmunológico innato combate los patógenos en el cuerpo.

Construir según el principio de Lego: de la idea al prototipo

Construir según el principio de Lego: esto no solo despierta el instinto de juego interno de los usuarios, observa el equipo de UC2, sino que también abre nuevas posibilidades para que los investigadores diseñen un instrumento adaptado con precisión a su pregunta de investigación. “Con nuestro método, es posible ensamblar rápidamente la herramienta adecuada para mapear células específicas”, explica Benedict Diederich. “Si, por ejemplo, se requiere una longitud de onda roja como excitación, simplemente instale el láser apropiado y cambie el filtro. Si se necesita un microscopio invertido, apile los cubos en consecuencia. Con el sistema UC2, los elementos se pueden combinar en función de la resolución, la estabilidad, la duración o el método de microscopía requeridos y se pueden probar directamente en el proceso de “creación rápida de prototipos”.

Smartphone UC2 Plus

UC2 plus smartphone: Emilia Walther, Elias Höfling y Robin Schröder de la Escuela Montessori en Jena ensamblaron su propio microscopio de fluorescencia para detectar microplásticos en cosméticos. Barbora Maršíková (derecha en la imagen) del equipo UC2 ​​los apoyó. Crédito: Sven Döring / Leibniz-IPHT

La visión: ciencia abierta

Los investigadores publican planes de construcción y software en el repositorio en línea de libre acceso GitHub, para que la comunidad de código abierto en todo el mundo pueda acceder, reconstruir, modificar y expandir los sistemas presentados. “Con los comentarios de los usuarios, mejoramos el sistema paso a paso y agregamos siempre nuevas soluciones creativas”, informa René Lachmann. Los primeros usuarios ya han comenzado a expandir el sistema para ellos mismos y sus propósitos. «Estamos ansiosos por ver cuándo podemos presentar las primeras soluciones para el usuario».

El objetivo detrás de esto es permitir la ciencia abierta. Gracias a la documentación detallada, los investigadores pueden reproducir y seguir desarrollando experimentos en cualquier parte del mundo, incluso más allá de laboratorios bien equipados. «Cambio de paradigma: ciencia por una moneda de diez centavos» es lo que Benedict Diederich llama a esta visión: presagiar un cambio de paradigma en el que el proceso científico sea lo más abierto y transparente posible, de libre acceso para todos, donde los investigadores compartan sus conocimientos entre sí y incorporarlo a su trabajo.

UC2 box lleva la ciencia a las escuelas

Para que los jóvenes se interesen especialmente por la óptica, el equipo de investigación ha desarrollado un conjunto de herramientas sofisticadas con fines educativos en escuelas y universidades. Con “The Box”, UC2 presenta un kit que permite a los usuarios aprender y probar conceptos ópticos y métodos de microscopía. “Los componentes se pueden combinar para formar un proyector o un telescopio; puedes construir un espectrómetro o un microscopio de teléfono inteligente ”, explica Barbora Maršíková, quien desarrolló experimentos y una serie de documentaciones listas para usar que el equipo de UC2 ya probó en varios talleres en Jena y sus alrededores, así como en los EE. UU., en Gran Gran Bretaña y Noruega. En Jena, los jóvenes investigadores ya han utilizado la caja de herramientas UC2 en varias escuelas y, por ejemplo, han ayudado a los alumnos a construir un microscopio de fluorescencia para detectar microplásticos. “Hemos combinado UC2 ​​con nuestro teléfono inteligente. Esto nos permitió construir nuestro propio microscopio de fluorescencia de manera rentable sin ningún conocimiento óptico importante y desarrollar un método relativamente simple para detectar partículas de plástico en cosméticos ”, informa Emilia Walther de la Escuela Montessori en Jena, quien junto con su grupo está persiguiendo un enfoque innovador de aprendizaje interdisciplinario.

«Queremos hacer que las técnicas modernas de microscopía sean accesibles para un público amplio», dice Benedict Diederich, «y construir una comunidad de microscopía abierta y creativa». Este enfoque de la enseñanza de «construir usted mismo» tiene un gran potencial, especialmente en momentos de las pandemias de Corona, cuando el acceso al material didáctico en el hogar es muy limitado.

Referencia: «Un estándar abierto versátil y personalizable de bajo costo impreso en 3D para imágenes microscópicas» por Benedict Diederich, René Lachmann, Swen Carlstedt, Barbora Marsikova, Haoran Wang, Xavier Uwurukundo, Alexander S. Mosig y Rainer Heintzmann, 25 de noviembre de 2020, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-020-19447-9