Quantification des propriétés élastiques des biofilms environnementaux à l’aide de l’élastographie par cohérence optique

Résumé

Cet article met en évidence l’efficacité de la technique d’élastographie par cohérence optique (OCE) dans la caractérisation rapide et non destructive des propriétés élastiques des biofilms. Nous élucidons les procédures critiques de mise en œuvre des OCE pour des mesures précises et présentons les valeurs du module de Young pour deux biofilms granulaires.

Résumé

Les biofilms sont des biomatériaux complexes comprenant un réseau bien organisé de cellules microbiennes enfermées dans des substances polymères extracellulaires (EPS) autoproduites. Cet article présente un compte rendu détaillé de la mise en œuvre de mesures d’élastographie par cohérence optique (OCE) adaptées à la caractérisation élastique des biofilms. L’OCE est une technique optique non destructive qui permet de cartographier localement la microstructure, la morphologie et les propriétés viscoélastiques de matériaux souples partiellement transparents avec une résolution spatiale et temporelle élevée. Nous fournissons un guide complet détaillant les procédures essentielles pour la mise en œuvre correcte de cette technique, ainsi qu’une méthodologie pour estimer le module de Young en vrac des biofilms granulaires à partir des mesures collectées. Il s’agit de la configuration du système, de l’acquisition des données et du post-traitement. Dans la discussion, nous nous penchons sur la physique sous-jacente des capteurs utilisés dans les OCE et explorons les limites fondamentales concernant les échelles spatiales et temporelles des mesures des OCE. Nous concluons avec des orientations futures potentielles pour faire progresser la technique OCE afin de faciliter les mesures élastiques des biofilms environnementaux.

Introduction

Dans le traitement des eaux usées et la récupération des ressources en eau, les biofilms bénéfiques dans les réacteurs de croissance attachés sont de plus en plus utilisés pour permettre aux microbes de convertir les polluants indésirables, tels que la matière organique, l’azote et le phosphate, en formes stabilisées qui peuvent être facilement éliminées de l’eau¹. Dans ces systèmes, la fonction émergente du biofilm, à savoir les transformations biochimiques, est étroitement associée à la diversité des microbes qui y résident et aux nutriments que ces microbes reçoivent². Par conséquent, la croissance continue du biofilm....

Protocole

1. Configuration du système

1. Rassemblez les composants du système, notamment le système OCT commercial (unité de base, support, tête d’imagerie et ordinateur), le générateur de formes d’onde, le transducteur, le générateur de retard/impulsions, un commutateur avec connexions BNC, des câbles et adaptateurs BNC, des bornes optiques et des pinces.
2. Connectez le signal de synchronisation du générateur de fonctions à un interrupteur. Connectez l’autre port du commutateur au générateur de retard.
3. Connectez la sortie du générateur de fonctions aux fils du transducteur.
4. Connectez les sorties du générateur de retard au can....

Discussion

La profondeur d’imagerie réalisable dans le système OCT est déterminée par le degré de pénétration de la lumière de la source lumineuse, qui dépend de la longueur d’onde de la source. De plus, la longueur d’onde détermine la résolution axiale. Les longueurs d’onde plus longues peuvent pénétrer plus profondément dans l’échantillon, mais au détriment d’une résolution axiale réduite par rapport aux longueurs d’onde plus courtes. La résolution transversale, en revanche, dépend à la fois de .......

matériels

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