Количественная оценка упругих свойств биопленок окружающей среды с помощью оптической когерентной эластографии

При очистке сточных вод и восстановлении водных ресурсов полезные биопленки в прикрепленных реакторах роста все чаще используются для того, чтобы микробы могли преобразовывать нежелательные загрязнители, такие как органические вещества, азот и фосфаты, в стабилизированные формы, которые могут быть легко удалены^{из воды.} В этих системах эмерджентная функция биопленки, а именно биохимические превращения, тесно связана с разнообразием микробов, находящихся в ней, и питательных веществ, которые эти микробы^{получают}. Соответственно, продолжающийся рост биопленки может представлять проблему для поддержания стабильной функциональности реактора, поскольку рост новой биопленки может изменить общие метаболические процессы биопленки, характеристики массопереноса и состав сообщества. Максимально возможная стабилизация среды биопленки может защитить от таких изменений³. Это включает в себя обеспечение постоянного потока питательных веществ и поддержание стабильной структуры биопленки с постоянной толщиной⁴. Мониторинг жесткости и физической структуры биопленки позволит исследователям получить представление об общем состоянии и функционировании биопленки.

Биопленки проявляют вязкоупругие свойства ^5,6,7. Эта вязкоупругая природа приводит к сочетанию мгновенной и медленной, зависящей от времени деформации в ответ на внешние механические силы. Одним из уникальных аспектов биопленок является то, что, когда они подвергаются существенной деформации, они реагируют как вязкие жидкости. И наоборот, при незначительной деформации их реакция сравнима с твердыми телами⁵. Более того, в пределах этой области малой деформации существует диапазон деформаций, в котором биопленки демонстрируют линейную зависимость между силой и смещением ^5,6,7. Деформации в этом линейном диапазоне являются оптимальными для оценки механических характеристик биопленки, поскольку они позволяют проводить воспроизводимые измерения. Существует несколько методов, позволяющих количественно оценить упругий отклик в этом диапазоне. Оптическая когерентная эластография (OCE) является новым методом, который адаптируется для анализа биопленок в этом линейном диапазоне (деформации порядка 10-4-10-5)^8,9.

На сегодняшний день OCE наиболее широко применяется в области биомедицины, где этот метод применяется для характеристики биологических тканей, которые требуют только поверхностного оптического доступа. Например, Li et al. использовали OCE для характеристики эластичных свойств кожной ткани¹⁰. Другие авторы охарактеризовали анизотропные эластические свойства тканей роговицы свиньи и человека и то, как на них влияет внутриглазное давление 11,12,13,14,15,16. Некоторые преимущества метода ОСЭ для изучения биопленок заключаются в том, что он является неразрушающим и обеспечивает мезомасштабное пространственное разрешение, не требует пробоподготовки, а сам метод быстрый; Он обеспечивает совместные измерения физической структуры и упругих свойств (например, пористости, шероховатости поверхности и морфологии)8,9,17,18.

Метод OCE измеряет локальное смещение распространяющихся упругих волн в образце с помощью фазочувствительной оптической когерентной томографии (ОКТ). ОКТ — это низкокогерентный оптический интерферометр, который преобразует локальные изменения смещения образца в изменение интенсивности, которое регистрируется с помощью оптического спектрометра. Метод ОКТ также используется в исследованиях биопленок для характеристики мезомасштабной структуры, распределения пористости в трех измерениях и деформации биопленки 17,19,20,21. Кроме того, Picioreanu et al. оценили механические свойства биопленки с помощью обратного моделирования взаимодействия жидкости и структуры изображений деформации поперечного сечения^{ОКТ 22}.

С другой стороны, измерения OCE в сочетании с обратным эластодинамическим волновым моделированием позволяют получить волновую скорость упругих волн в образце, что позволяет характеризовать упругие и вязкоупругие свойства образца. Наша группа адаптировала метод OCE для количественного измерения упругих и вязкоупругих свойств биопленки ^8,9,18 и валидировала методику в сравнении с измерениями сдвиговой реометрии в образцах агарозных гелевых планшетов¹⁸. Подход OCE обеспечивает точную и надежную оценку свойств биопленки, поскольку измеренная скорость упругой волны коррелирует с упругими свойствами образца. Кроме того, пространственное затухание амплитуды упругой волны может быть напрямую коррелировано с вязкоупругими свойствами из-за вязких эффектов в материале. Мы сообщили об измерениях вязкоупругих свойств бактериальных биопленок смешанных культур, выращенных на купонах во вращающемся кольцевом реакторе (RAR), и гранулированных биопленок со сложной геометрией с использованием эластодинамических волновых моделей¹⁸.

Метод OCE также является мощной альтернативой традиционной реометрии¹⁸, которая используется для вязкоупругой характеризации. Методы реометрии лучше всего подходят для образцов с плоской геометрией. Таким образом, гранулированные биопленки, которые имеют произвольную форму и морфологию поверхности, не могут быть точно охарактеризованы на реометре ^8,23. Кроме того, в отличие от ОСЭ, методы реометрии могут быть сложными для адаптации к измерениям в режиме реального времени, например, во время роста биопленки в проточных клетках^24,25.

В данной работе мы показываем, что измерения частотно-независимой скорости поверхностных волн с помощью OCE могут быть использованы для характеристики упругих свойств биопленки без необходимости создания сложных моделей. Эта разработка сделает подход OCE более доступным для более широкого сообщества биопленок для изучения механических свойств биопленки.

На рисунке 1 показана схематическая иллюстрация системы ОКТ, используемой в данном исследовании. Система включает в себя несколько приборов, в том числе коммерческую фазочувствительную ОКТ-систему в спектральной области, генератор задержки, генератор функций и пьезоэлектрический преобразователь. Система ОКТ работает по принципу интерферометрии с использованием широкополосного источника света с центральной длиной волны 930 нм. Собранная интенсивность света, которая коррелирует со сложными структурными деталями в образце, анализируется в блоке постобработки, а затем преобразуется в изображение поперечного сечения образца, обычно называемое ОКТ-изображением. Глубина ОКТ-визуализации зависит от выраженности оптического рассеяния в образце, которое обусловлено локальными изменениями показателя преломления и ограничено 1-3 мм в биологических тканях и биопленках. Поскольку оптическая фаза в образце и интенсивность интерференции модулируются движением, ОКТ можно использовать для обнаружения локального смещения образца. Мы используем чувствительность смещения ОКТ в методе ОЦЭ для отслеживания стационарного поля смещения упругих волн в образце. В частности, генератор функций выдает синусоидальное напряжение для управления пьезоэлектрическим преобразователем. Преобразователь, в свою очередь, растягивается и сжимается с колебательной временной историей. Колебательное смещение преобразователя передает синусоидальную силу на поверхность образца через напечатанный на 3D-принтере клиновидный наконечник в вершине преобразователя, что приводит к генерации гармонических упругих волн в образце. Клиновой наконечник обеспечивает легкий контакт с образцом, так что образец остается неповрежденным после того, как привод втягивается с поверхности образца. Для регистрации локального смещения в образце для каждого пикселя в образце регистрируются смежные развертки глубины, разделенные фиксированной временной задержкой. Оптическая разность фаз между последовательными развертками в каждой точке пикселя пропорциональна локальному вертикальному смещению в одной и той же точке. Синхронизация между перемещением преобразователя и сканирующей оптики в системе ОКТ достигается за счет триггерного импульса, который исходит от генератора функций и задерживается в генераторе задержки. Этот этап синхронизации облегчает получение согласованных изображений поперечного сечения локального оптического распределения фазы в образце. Эти изображения прямо пропорциональны локальному вертикальному гармоническому смещению в образце и известны как изображение OCE. Изображения OCE регистрируются на различных частотах срабатывания преобразователя для получения упругой длины волны и скорости волны в зависимости от частоты. Измеренные скорости волн анализируются с помощью эластодинамической модели для определения упругих свойств образца.