Quantificação das Propriedades Elásticas de Biofilmes Ambientais utilizando Elastografia de Coerência Óptica

Resumo

Este trabalho destaca a eficácia da técnica de elastografia de coerência óptica (OCE) na caracterização rápida e não destrutiva das propriedades elásticas do biofilme. Nós elucidamos procedimentos críticos de implementação de OCE para medições precisas e apresentamos os valores do módulo de Young para dois biofilmes granulares.

Resumo

Biofilmes são biomateriais complexos que compreendem uma rede bem organizada de células microbianas envoltas em substâncias poliméricas extracelulares (EPS) autoproduzidas. Este trabalho apresenta um relato detalhado da implementação de medidas de elastografia de coerência óptica (ECO) adaptadas para a caracterização elástica de biofilmes. OCE é uma técnica óptica não destrutiva que permite o mapeamento local da microestrutura, morfologia e propriedades viscoelásticas de materiais moles parcialmente transparentes com alta resolução espacial e temporal. Nós fornecemos um guia abrangente detalhando os procedimentos essenciais para a implementação correta desta técnica, juntamente com uma metodologia para estimar o módulo de elasticidade de biofilmes granulares a partir das medidas coletadas. Estes consistem na configuração do sistema, aquisição de dados e pós-processamento. Na discussão, nos aprofundamos na física subjacente dos sensores usados na OCE e exploramos as limitações fundamentais em relação às escalas espaciais e temporais das medições da OCE. Concluímos com possíveis direções futuras para o avanço da técnica OCE para facilitar as medidas elásticas de biofilmes ambientais.

Introdução

No tratamento de águas residuais e na recuperação de recursos hídricos, biofilmes benéficos em reatores de crescimento acoplados são cada vez mais empregados para permitir que micróbios convertam poluentes indesejáveis, como matéria orgânica, nitrogênio e fosfato, em formas estabilizadas que podem ser facilmente removidas da água¹. Nesses sistemas, a função emergente do biofilme, ou seja, as transformações bioquímicas, está intimamente associada à diversidade de micróbios que nele residem e aos nutrientes que esses micróbios recebem². Assim, o crescimento contínuo do biofilme pode representar um desafio para manter a fun....

Protocolo

1. Configuração do sistema

1. Reúna os componentes do sistema que incluem o sistema OCT comercial (unidade base, suporte, cabeça de imagem e computador), gerador de forma de onda, transdutor, gerador de atraso/pulso, um interruptor com conexões BNC, cabos e adaptadores BNC, postes ópticos e grampos.
2. Conecte o sinal de sincronização do gerador de funções a um switch. Conecte a outra porta do switch ao gerador de atraso.
3. Conecte a saída do gerador de funções aos cabos do transdutor.
4. Conecte as saídas do gerador de atraso ao canal de disparo na parte traseira da unidade base da OCT. O sinal de saída do gerador de atra....

Discussão

A profundidade de imagem atingível no sistema OCT é determinada pelo grau de penetração de luz da fonte de luz, que depende do comprimento de onda da fonte. Além disso, o comprimento de onda determina a resolução axial. Comprimentos de onda mais longos podem penetrar mais profundamente na amostra, mas às custas de resolução axial reduzida em comparação com comprimentos de onda mais curtos. A resolução transversal, por outro lado, é dependente tanto da abertura numérica do sistema quanto do comprimento de .......

Materiais

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