27.11.2020 - Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V.

Un microscopio para todos

El sistema de código abierto de la impresora 3D proporciona imágenes de alta resolución como los microscopios comerciales a cientos de veces el precio

Los microscopios modernos utilizados para la obtención de imágenes biológicas son caros, están ubicados en laboratorios especializados y requieren personal altamente cualificado. Por consiguiente, la investigación de enfoques novedosos y creativos para abordar cuestiones científicas urgentes -por ejemplo, en la lucha contra enfermedades infecciosas como el Covid-19- está reservada principalmente a los científicos de instituciones de investigación bien equipadas de los países ricos. Un joven equipo de investigación del Instituto de Tecnología Fotónica Leibniz (IPHT Leibniz) de 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 pocos cientos de euros que proporcionan imágenes de alta resolución comparables 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 smartphone, el sistema modular UC2 (You. See. Too.) puede combinarse específicamente de la manera que requiere la cuestión de la investigación: desde la observación a largo plazo de organismos vivos en la incubadora hasta una caja de herramientas para la enseñanza de la óptica.

El bloque 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, LEDs o cámaras. Varios de estos cubos se conectan a una placa base de trama magnética. Dispuestos inteligentemente, los módulos resultan así un poderoso instrumento óptico. Un concepto óptico según el cual los planos focales de las lentes adyacentes coinciden es la base de la mayoría de los complejos montajes ópticos como los microscopios modernos. Con la caja de herramientas de la UC2, el equipo de investigación de los estudiantes de doctorado del laboratorio del Prof. Dr. Rainer Heintzmann, del IPHT Leibniz y de la Universidad Friedrich Schiller de Jena, muestra cómo este proceso inherentemente modular puede entenderse intuitivamente en los experimentos prácticos. De esta manera, la UC2 también proporciona a los usuarios sin formación técnica una herramienta óptica que pueden utilizar, modificar y ampliar, dependiendo de lo que estén investigando.

Monitorear los patógenos - y luego reciclar el microscopio contaminado

Helge Ewers, profesor de bioquímica en la Universidad Libre de Berlín y en la Charité, está investigando los patógenos de la caja de herramientas de la UC2. "El sistema UC2 nos permite producir un microscopio de alta calidad a bajo coste, con el que podemos observar células vivas en una incubadora", afirma. De esta manera, el UC2 abre áreas de aplicación para la investigación biomédica para las que los microscopios convencionales no son adecuados. "Los microscopios comerciales que pueden utilizarse para examinar patógenos durante un período de tiempo más largo cuestan cientos o miles de veces más que nuestra configuración de UC2", dice Benedict Diederich, estudiante de doctorado en el Leibniz-IPHT, que desarrolló la caja de herramientas ópticas allí junto con René Lachmann. "Difícilmente puedes llevarlos a un laboratorio contaminado del que no puedas sacarlos porque no se pueden limpiar fácilmente". El microscopio UC2 de plástico, por otro lado, puede ser fácilmente quemado o reciclado después de su exitoso uso en el laboratorio de seguridad biológica. Para un estudio en el Hospital Universitario de Jena, el equipo de UC2 observó la diferenciación de los monocitos en macrófagos en la incubadora durante un período de una semana, con el fin de comprender cómo el sistema inmunológico innato combate los patógenos en el cuerpo.

Construyendo de acuerdo con el principio de Lego: Desde la idea hasta el prototipo

Construir según el principio de Lego - esto no sólo despierta el instinto de juego interior de los usuarios, observa el equipo de la 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 se instala el láser apropiado y se cambia el filtro. Si se necesita un microscopio invertido, se apilan los cubos en consecuencia. Con el sistema UC2, los elementos pueden combinarse en función de la resolución, la estabilidad, la duración o el método de microscopía requeridos y probarse directamente en el proceso de "prototipado rápido".

La visión: Ciencia Abierta

Los investigadores publican los planos de construcción y el software en el repositorio en línea de libre acceso GitHub, para que la comunidad de código abierto de todo el mundo pueda acceder, reconstruir, modificar y ampliar los sistemas presentados. "Con la retroalimentación de los usuarios, mejoramos el sistema paso a paso y añadimos soluciones creativas siempre nuevas", 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 de los usuarios".

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

La caja de la UC2 lleva la ciencia a las escuelas

A fin de que los jóvenes se interesen especialmente por la óptica, el equipo de investigación ha desarrollado un sofisticado conjunto de herramientas con fines educativos en escuelas y universidades. Con "La Caja" UC2 presenta un kit que permite a los usuarios aprender y probar conceptos ópticos y métodos de microscopía. "Los componentes pueden combinarse para formar un proyector o un telescopio; se puede construir un espectrómetro o un microscopio para teléfonos inteligentes", explica Barbora Maršíková, quien desarrolló experimentos y una serie de documentaciones listas para usar que el equipo de UC2 ya ha probado en varios talleres en Jena y sus alrededores, así como en Estados Unidos, en Gran Bretaña y Noruega. En Jena, los jóvenes investigadores ya han utilizado la caja de herramientas de la UC2 en varias escuelas y, por ejemplo, han apoyado a los alumnos en la construcción de un microscopio de fluorescencia para detectar microplásticos. "Hemos combinado el UC2 con nuestro smartphone. Esto nos ha permitido construir nuestro propio microscopio de fluorescencia de forma rentable sin grandes conocimientos ópticos y desarrollar un método comparativamente sencillo para detectar partículas de plástico en los cosméticos", informa Emilia Walther, de la Escuela Montessori de Jena, que junto con su grupo está aplicando un innovador enfoque de aprendizaje interdisciplinario.

"Queremos poner las modernas técnicas de microscopía al alcance de un amplio público", dice Benedict Diederich, "y crear una comunidad de microscopía abierta y creativa". Este enfoque de enseñanza basado en la construcción de uno mismo tiene un enorme potencial, especialmente en tiempos de las pandemias de Corona, cuando el acceso al material de enseñanza en casa está severamente limitado.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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