Cuantificación de las propiedades elásticas de las biopelículas ambientales mediante elastografía de coherencia óptica

Resumen

Este artículo destaca la eficacia de la técnica de elastografía de coherencia óptica (OCE) en la caracterización rápida y no destructiva de las propiedades elásticas de la biopelícula. Aclaramos los procedimientos críticos de implementación de OCE para mediciones precisas y presentamos los valores del módulo de Young para dos biopelículas granulares.

Resumen

Las biopelículas son biomateriales complejos que comprenden una red bien organizada de células microbianas encerradas en sustancias poliméricas extracelulares (EPS) de producción propia. En este artículo se presenta una descripción detallada de la implementación de medidas de elastografía de coherencia óptica (OCE) adaptadas para la caracterización elástica de biopelículas. OCE es una técnica óptica no destructiva que permite el mapeo local de la microestructura, morfología y propiedades viscoelásticas de materiales blandos parcialmente transparentes con alta resolución espacial y temporal. Proporcionamos una guía completa que detalla los procedimientos esenciales para la correcta implementación de esta técnica, junto con una metodología para estimar el módulo de Young de biopelículas granulares a partir de las mediciones recolectadas. Estos consisten en la configuración del sistema, la adquisición de datos y el posprocesamiento. En la discusión, profundizamos en la física subyacente de los sensores utilizados en OCE y exploramos las limitaciones fundamentales con respecto a las escalas espaciales y temporales de las mediciones de OCE. Concluimos con posibles direcciones futuras para avanzar en la técnica OCE para facilitar las mediciones elásticas de biopelículas ambientales.

Introducción

En el tratamiento de aguas residuales y la recuperación de recursos hídricos, las biopelículas beneficiosas en los reactores de crecimiento adjuntos se emplean cada vez más para permitir que los microbios conviertan contaminantes indeseables, como la materia orgánica, el nitrógeno y el fosfato, en formas estabilizadas que puedan eliminarse fácilmente^{del agua.} En estos sistemas, la función emergente de la biopelícula, es decir, las transformaciones bioquímicas, está estrechamente asociada con la diversidad de microbios que residen en ella y los nutrientes que estos microbios reciben². En consecuencia, el crecimiento conti....

Protocolo

1. Configuración del sistema

1. Reúna los componentes del sistema que incluyen el sistema OCT comercial (unidad base, soporte, cabezal de imágenes y computadora), generador de forma de onda, transductor, generador de retardo/pulso, un interruptor con conexiones BNC, cables y adaptadores BNC, postes ópticos y abrazaderas.
2. Conecte la señal de sincronización del generador de funciones a un interruptor. Conecte el otro puerto del switch al generador de retardo.
3. Conecte la salida del generador de funciones a los cables del transductor.
4. Conecte las salidas del generador de retardo al canal de disparo en la parte posterio....

Discusión

La profundidad de imagen alcanzable en el sistema OCT está determinada por el grado de penetración de la luz de la fuente de luz, que depende de la longitud de onda de la fuente. Además, la longitud de onda determina la resolución axial. Las longitudes de onda más largas pueden penetrar más profundamente en la muestra, pero a expensas de una resolución axial reducida en comparación con las longitudes de onda más cortas. La resolución transversal, por otro lado, depende tanto de la apertura numérica del sistema.......

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D printed sample holder
3D printed wedge tip			3 mm width
BNC cables	Any brand
Delay generator	Stanford Research Systems	DG535	DG535 Digital delay/ Pulse Generator
Function generator	Agilent Technologies		33250A 80 MHz Function / Arbitrary Waveform Generator
Granular biofilm	Aqua-Aerobic Systems		Obtained from an Aerobic Granular Sludge reactor (Aqua-Aerobic Systems, Inc.)
MATLAB	MathWorks		Release 2022a (MATLAB 9.12)
Piezoelectric transducer	Thorlabs	PK2JUP1	Discrete Piezo Stack, 75 V, 30.0 µm Displacement
SD-OCT System	Thorlabs		Ganymede II, LSM03 scan lens
ThorImageOCT	Thorlabs		Version: 5.5.5