Les chercheurs ont utilisé l'impression 3D pour fabriquer un microscope haute résolution peu coûteux et portable, suffisamment petit et robuste pour être utilisé sur le terrain ou au chevet du patient. Les images 3D haute résolution fournies par l'instrument pourraient potentiellement être utilisées pour détecter le diabète, drépanocytose, le paludisme et d'autres maladies.

"Ce nouveau microscope ne nécessite aucune coloration ou étiquette spéciale et pourrait aider à augmenter l'accès à des tests de diagnostic médical à faible coût, ", a déclaré le chef de l'équipe de recherche Bahram Javidi de l'Université du Connecticut. "Ce serait particulièrement bénéfique dans les régions en développement du monde où l'accès aux soins de santé est limité et peu d'installations de diagnostic de haute technologie."

Les chercheurs décrivent leur nouveau microscope, qui est basé sur la microscopie holographique numérique, dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique . L'instrument portable produit des images 3D avec une résolution deux fois supérieure à la microscopie holographique numérique traditionnelle, qui est généralement effectuée sur une table optique dans un laboratoire. En plus des applications biomédicales, cela pourrait aussi être utile pour la recherche, fabrication, défense et éducation.

"L'ensemble du système se compose de pièces imprimées en 3D et de composants optiques courants, le rendant peu coûteux et facile à reproduire, " a déclaré Javidi. " Des sources laser et des capteurs d'images alternatifs réduiraient encore le coût, et nous estimons qu'une seule unité pourrait être reproduite pour plusieurs centaines de dollars. La production en série de l'unité réduirait également considérablement le coût. »

Du laboratoire au terrain

En microscopie holographique numérique traditionnelle, une caméra numérique enregistre un hologramme produit à partir d'interférences entre une onde lumineuse de référence et la lumière provenant de l'échantillon. Un ordinateur convertit ensuite cet hologramme en une image 3-D de l'échantillon. Bien que cette approche de microscopie soit utile pour étudier les cellules sans aucun marqueur ni colorant, il nécessite généralement une configuration optique complexe et un environnement stable exempt de vibrations et de fluctuations de température pouvant introduire du bruit dans les mesures. Pour cette raison, les microscopes holographiques numériques ne se trouvent généralement que dans les laboratoires.

Les chercheurs ont pu augmenter la résolution de la microscopie holographique numérique au-delà de ce qui est possible avec un éclairage uniforme en la combinant avec une technique de super-résolution connue sous le nom de microscopie à éclairage structuré. Ils l'ont fait en générant un motif lumineux structuré à l'aide d'un disque compact transparent.

"L'impression 3D du microscope nous a permis d'aligner précisément et en permanence les composants optiques nécessaires pour améliorer la résolution tout en rendant le système très compact, " a déclaré Javidi.

Test du nouveau microscope

Les chercheurs ont évalué les performances du système en enregistrant des images d'un graphique de résolution, puis en utilisant un algorithme pour reconstruire des images haute résolution. Cela a montré que le nouveau système de microscopie pouvait résoudre des caractéristiques aussi petites que 0,775 micron, doubler la résolution des systèmes traditionnels. L'utilisation d'une source lumineuse avec des longueurs d'onde plus courtes améliorerait encore plus la résolution.

Des expériences supplémentaires ont montré que le système était suffisamment stable pour analyser les fluctuations des cellules biologiques au fil du temps, qui doivent être mesurés à l'échelle de quelques dizaines de nanomètres. Les chercheurs ont ensuite démontré l'applicabilité du dispositif pour l'imagerie biologique en acquérant une image haute résolution d'une algue verte.

"Notre conception fournit un système hautement stable avec une haute résolution, " a déclaré Javidi. " Ceci est très important pour examiner les structures et la dynamique subcellulaires, qui peuvent avoir des détails et des fluctuations remarquablement petits."

Les chercheurs disent que le système actuel est prêt pour une utilisation pratique. Ils prévoient de l'utiliser pour des applications biomédicales telles que l'identification des cellules et le diagnostic des maladies et poursuivront leur collaboration avec leurs partenaires internationaux pour enquêter sur l'identification des maladies dans les zones reculées avec un accès limité aux soins de santé. Ils s'efforcent également d'améliorer encore la résolution et le rapport signal/bruit du système sans augmenter le coût de l'appareil.