Le cube open source imprimé en 3D peut héberger des inserts auto-conçus, composants électriques et optiques. Les modules résultants peuvent être combinés pour former des instruments optiques complexes. Cela permet de transformer le smartphone en un puissant microscope en un rien de temps - et à presque n'importe quel endroit sur terre - afin de poser et de répondre à des questions complètement nouvelles à la science. Crédit :UC2
Les microscopes modernes utilisés pour l'imagerie biologique sont chers, sont situés dans des laboratoires spécialisés et nécessitent un personnel hautement qualifié. Pour rechercher un roman, Les approches créatives pour répondre aux problèmes scientifiques urgents - par exemple dans la lutte contre les maladies infectieuses telles que le COVID-19 - sont donc principalement réservées aux scientifiques des instituts de recherche bien équipés des pays riches. Une jeune équipe de recherche du Leibniz Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) à Iéna, l'université Friedrich Schiller et l'hôpital universitaire d'Iéna veulent changer cela :les chercheurs ont développé une boîte à outils optique pour construire des microscopes pour quelques centaines d'euros qui délivrent des images haute résolution comparables aux microscopes commerciaux qui coûtent cent à mille fois plus cher. Avec des plans open source, composants de l'imprimante 3D et de l'appareil photo du smartphone, le système modulaire UC2 (You. See. Too.) peut être combiné spécifiquement de la manière dont la question de recherche l'exige, de l'observation à long terme d'organismes vivants dans l'incubateur à une boîte à outils pour l'enseignement de l'optique. L'équipe de recherche présente son développement le 25 novembre 2020 dans la revue renommée Communication Nature .
Le bloc de construction de base du système UC2 est un simple cube imprimable en 3D avec une longueur de bord de 5 centimètres, qui peut accueillir une variété de composants tels que des lentilles, LED ou caméras. Plusieurs de ces cubes sont branchés sur une plaque de base à trame magnétique. Astucieusement agencé, les modules aboutissent ainsi à un instrument optique puissant. Un concept optique selon lequel les plans focaux des lentilles adjacentes coïncident est à la base de la plupart des configurations optiques complexes telles que les microscopes modernes. Avec la boîte à outils UC2, l'équipe de recherche de Ph.D. étudiants du laboratoire du Prof. Dr. Rainer Heintzmann, Leibniz IPHT et Université Friedrich Schiller d'Iéna, montre comment ce processus intrinsèquement modulaire peut être compris intuitivement dans des expériences pratiques. De cette façon, UC2 met également à disposition des utilisateurs sans formation technique un outil optique qu'ils peuvent utiliser, modifier et développer, en fonction de ce qu'ils recherchent.
Surveillez les agents pathogènes, puis recyclez le microscope contaminé
Helge Aiguières, Professeur de Biochimie à l'Université Libre de Berlin et à la Charité, étudie les agents pathogènes à l'aide de la boîte à outils UC2. "Le système UC2 nous permet de produire un microscope de haute qualité à faible coût, avec laquelle on peut observer des cellules vivantes dans un incubateur, " déclare-t-il. UC2 ouvre ainsi des domaines d'application pour la recherche biomédicale pour lesquels les microscopes conventionnels ne sont pas adaptés. " dit Benoît Diederich, doctorat étudiant à Leibniz-IPHT, qui y a développé la boîte à outils optique avec René Lachmann. "Vous pouvez difficilement les faire entrer dans un laboratoire contaminé d'où vous ne pourrez peut-être pas les retirer car ils ne peuvent pas être nettoyés facilement." Le microscope UC2 en plastique, d'autre part, peut être facilement brûlé ou recyclé après son utilisation réussie dans le laboratoire de sécurité biologique. Pour une étude à l'hôpital universitaire d'Iéna, l'équipe UC2 a observé la différenciation des monocytes en macrophages dans l'incubateur sur une période d'une semaine afin de mieux comprendre comment le système immunitaire inné combat les agents pathogènes dans le corps.
L'équipe de développement UC2 :Benedict Diederich, René Lachmann et Barbora Maršíková (à partir de la gauche) avec un microscope assemblé avec leur boîte à outils UC2. Crédit :Leibniz-IPHT
Construire selon le principe Lego :De l'idée au prototype
Construire selon le principe LEGO - cela éveille non seulement l'instinct de jeu intérieur des utilisateurs, observe l'équipe UC2, mais il ouvre également de nouvelles possibilités pour les chercheurs de concevoir un instrument précisément adapté à leur question de recherche. "Avec notre méthode, il est possible d'assembler rapidement le bon outil pour cartographier des cellules spécifiques, " explique Benoît Diederich. " Si, par exemple, une longueur d'onde rouge est requise comme excitation, vous installez simplement le laser approprié et changez le filtre. Si un microscope inversé est nécessaire, vous empilez les cubes en conséquence. Avec le système UC2, les éléments peuvent être combinés en fonction de la résolution souhaitée, stabilité, durée ou méthode de microscopie et testé directement dans le processus de "prototypage rapide".
Avec UC2, les utilisateurs peuvent assembler leur propre microscope selon le principe Lego. De cette façon, Benedict Diederich (à gauche) et René Lachmann éveillent non seulement l'instinct de jeu intérieur, mais aussi ouvrir des possibilités complètement nouvelles pour les chercheurs d'adapter un outil précisément à leur question de recherche. Crédit :Sven Döring/ Leibniz-IPHT
La vision :la science ouverte
Les chercheurs publient des plans de construction et des logiciels sur le référentiel en ligne librement accessible GitHub, afin que la communauté open source du monde entier puisse accéder, reconstruire, modifier et étendre les systèmes présentés. "Avec les retours des utilisateurs, nous améliorons le système étape par étape et ajoutons toujours de nouvelles solutions créatives, " rapporte René Lachmann. Les premiers utilisateurs ont déjà commencé à étendre le système pour eux-mêmes et leurs objectifs. " Nous sommes impatients de voir quand nous pourrons présenter les premières solutions utilisateur. "
L'objectif est de permettre la science ouverte. Grâce à la documentation détaillée, les chercheurs peuvent reproduire et développer des expériences partout dans le monde, même au-delà des laboratoires bien équipés. "Change in Paradigm:Science for a Dime" est ce que Benedict Diederich appelle cette vision :annoncer un changement de paradigme dans lequel le processus scientifique est aussi ouvert et transparent que possible, librement accessible à tous, où les chercheurs partagent leurs connaissances entre eux et les intègrent dans leurs travaux.
La boîte d'expérimentation UC2 apporte la science aux écoles
Afin d'intéresser particulièrement les jeunes à l'optique, l'équipe de recherche a développé un ensemble d'outils sophistiqués à des fins éducatives dans les écoles et les universités. Avec "The Box", UC2 présente un kit qui permet aux utilisateurs d'apprendre et d'essayer des concepts optiques et des méthodes de microscopie. "Les composants peuvent être combinés pour former un projecteur ou un télescope; vous pouvez construire un spectromètre ou un microscope pour smartphone, " explique Barbora Maršíková, qui a développé des expériences et une série de documentations prêtes à l'emploi que l'équipe UC2 a déjà testées dans plusieurs ateliers à Iéna et ses environs ainsi qu'aux États-Unis, en Grande-Bretagne et en Norvège. A Iéna, les jeunes chercheurs ont déjà utilisé la boîte à outils UC2 dans plusieurs écoles et par ex. aidé les élèves à construire un microscope à fluorescence pour détecter les microplastiques. "Nous avons combiné UC2 avec notre smartphone. Cela nous a permis de construire notre propre microscope à fluorescence de manière rentable sans aucune connaissance optique majeure et de développer une méthode comparable simple pour détecter les particules de plastique dans les cosmétiques, " rapporte Emilia Walther de l'école Montessori d'Iéna, qui, avec son groupe, poursuit une approche d'apprentissage interdisciplinaire innovante.
« Nous voulons rendre les techniques modernes de microscopie accessibles à un large public, " dit Benoît Diederich, « et créer une communauté de microscopie ouverte et créative. » Cette approche de l'enseignement à construire soi-même a un énorme potentiel, surtout en période de pandémie de Corona, lorsque l'accès au matériel pédagogique à la maison est sévèrement limité.
