Optik Koherens Elastografi Kullanılarak Çevresel Biyofilmlerin Elastik Özelliklerinin Ölçülmesi

Atık su arıtımında ve su kaynaklarının geri kazanılmasında, mikropların organik madde, nitrojen ve fosfat gibi istenmeyen kirleticileri sudan kolayca çıkarılabilen stabilize formlara dönüştürmesini sağlamak için bağlı büyüme reaktörlerindeki faydalı biyofilmler giderek daha fazla kullanılmaktadır¹. Bu sistemlerde biyofilmin ortaya çıkan işlevi, yani biyokimyasal dönüşümler, içinde bulunan mikropların çeşitliliği ve bu mikropların aldığı besinlerle yakından ilişkilidir². Buna göre, devam eden biyofilm büyümesi, tutarlı reaktör işlevselliğini sürdürmek için bir zorluk oluşturabilir, çünkü yeni biyofilm büyümesi biyofilmin genel metabolik süreçlerini, kütle transfer özelliklerini ve topluluk bileşimini değiştirebilir. Biyofilm ortamını mümkün olduğunca stabilize etmek, bu tür değişikliklere karşı koruma sağlayabilir³. Bu, tutarlı bir besin akışının sağlanmasını ve biyofilmin yapısının sabit bir kalınlıkla sabit tutulmasını^{içerir 4}. Biyofilmin sertliğini ve fiziksel yapısını izlemek, araştırmacıların biyofilmin genel sağlığı ve işleyişi hakkında fikir edinmelerini sağlayacaktır.

Biyofilmler viskoelastik özellikler sergiler ^5,6,7. Bu viskoelastik yapı, dış mekanik kuvvetlere yanıt olarak anlık ve yavaş, zamana bağlı bir deformasyonun bir kombinasyonu ile sonuçlanır. Biyofilmlerin benzersiz bir yönü, önemli deformasyona maruz kaldıklarında viskoz sıvılar gibi tepki vermeleridir. Tersine, küçük deformasyona maruz kaldıklarında, tepkileri katılarla^{karşılaştırılabilir 5}. Ayrıca, bu küçük deformasyon bölgesi içinde, biyofilmlerin doğrusal bir kuvvet-yer değiştirme ilişkisi^{sergilediği bir} deformasyon aralığı vardır ^5,6,7. Bu doğrusal aralıktaki deformasyonlar, biyofilm mekanik özelliklerini değerlendirmek için idealdir, çünkü bunlar tekrarlanabilir ölçümler sağlar. Bu aralıktaki elastik tepkiyi birkaç teknik ölçebilir. Optik koherens elastografi (OCE), bu doğrusal aralıktaki (10-4-10-5 mertebesinde suşlar) biyofilmleri analiz etmek için uyarlanan yeni bir ^tekniktir8,9.

OCE’nin şimdiye kadarki en köklü uygulaması, tekniğin yalnızca yüzeysel optik erişim gerektiren biyolojik dokuları karakterize etmek için uygulandığı biyomedikal alandadır. Örneğin, Li ve ark. cilt dokusunun elastik özelliklerini karakterize etmek için OCE’yi kullandı¹⁰. Diğer yazarlar, domuz ve insan kornea dokularının anizotropik elastik özelliklerini ve göz içi basıncından nasıl etkilendiklerini karakterize ettiler 11,12,13,14,15,16. Biyofilmleri incelemek için OCE yönteminin bazı avantajları, tahribatsız olması ve orta ölçekli uzamsal çözünürlük sağlaması, herhangi bir numune hazırlığı gerektirmemesi ve yöntemin kendisinin hızlı olmasıdır; Fiziksel yapı ve elastik özelliklerin (örneğin, gözeneklilik, yüzey pürüzlülüğü ve morfoloji) ortak kayıtlı ölçümlerini sağlar8,9,17,18.

OCE yöntemi, faza duyarlı optik koherens tomografi (OCT) kullanarak bir numunede yayılan elastik dalgaların yerel yer değiştirmesini ölçer. OCT, numune yer değiştirmesindeki yerel değişiklikleri bir optik spektrometre ile kaydedilen bir yoğunluk değişikliğine dönüştüren düşük tutarlı bir optik interferometredir. OCT tekniği, biyofilm araştırmalarında mezoscale yapının, üç boyutta gözeneklilik dağılımının ve biyofilm deformasyonunun karakterizasyonu için de kullanılmıştır 17,19,20,21. Ek olarak, Picioreanu ve ark. OCT kesit deformasyon görüntülerinin akışkan-yapı etkileşimi ters modellemesini kullanarak biyofilm mekanik özelliklerini tahmin etti²².

Öte yandan, OCE ölçümleri, ters elastodinamik dalga modellemesi ile birleştiğinde, numunedeki elastik dalgaların dalga hızını verir, bu da numunenin elastik ve viskoelastik özelliklerinin karakterizasyonunu sağlar. Grubumuz, biyofilm elastik ve viskoelastik özelliklerin kantitatif ölçümü için OCE tekniğini^{uyarladı 8,9,18} ve tekniği agaroz jel plaka numunelerinde kayma reometrisi ölçümlerine karşı doğruladı 18. OCE yaklaşımı, ölçülen elastik dalga hızı numunenin elastik özellikleri ile ilişkili olduğundan, biyofilm özelliklerinin kesin ve güvenilir tahminlerini sağlar. Ayrıca, elastik dalga genliğinin uzamsal bozunması, malzemedeki viskoz etkilerden dolayı viskoelastik özelliklerle doğrudan ilişkilendirilebilir. Dönen bir dairesel reaktörde (RAR) kuponlar üzerinde büyütülen karışık kültür bakteri biyofilmlerinin ve karmaşık geometrilere sahip granüler biyofilmlerin viskoelastik özelliklerinin OCE ölçümlerini elastodinamik dalga modelleri¹⁸ kullanarak rapor ettik.

OCE tekniği ayrıca viskoelastik karakterizasyon için kullanılan geleneksel reometri^18’egüçlü bir alternatiftir. Reometri yöntemleri, düzlemsel geometriye sahip numuneler için en uygunudur. Bu nedenle, keyfi şekillere ve yüzey morfolojilerine sahip olan granüler biyofilmler, bir reometre ^8,23 üzerinde doğru bir şekilde karakterize edilemez. Ek olarak, OCE’den farklı olarak, reometri yöntemlerinin, örneğin akış hücrelerinde^biyofilm büyümesi sırasında gerçek zamanlı ölçümlere uyarlanması zor olabilir ^24,25.

Bu yazıda, yüzey dalgalarının frekanstan bağımsız dalga hızının OCE ölçümlerinin, karmaşık modellere ihtiyaç duymadan biyofilm elastik özelliklerini karakterize etmek için kullanılabileceğini gösteriyoruz. Bu gelişme, OCE yaklaşımını, biyofilm mekanik özelliklerini incelemek için daha geniş biyofilm topluluğu için daha erişilebilir hale getirecektir.

Şekil 1 , bu çalışmada kullanılan OCT sisteminin şematik bir gösterimini göstermektedir. Sistem, ticari bir spektral alan faza duyarlı OCT sistemi, bir gecikme üreteci, bir fonksiyon üreteci ve bir piezoelektrik dönüştürücü dahil olmak üzere çeşitli enstrümanlar içerir. OCT sistemi, merkez dalga boyu 930 nm olan geniş bantlı bir ışık kaynağı kullanarak interferometri prensibine göre çalışır. Numunedeki karmaşık yapısal detaylarla ilişkilendirilen toplanan ışık yoğunluğu, son işlem ünitesinde analiz edilir ve daha sonra numunenin enine kesit görüntüsüne dönüştürülür – genellikle OCT görüntüsü olarak adlandırılır. OCT görüntüleme derinliği, kırılma indisindeki lokal varyasyondan kaynaklanan numunedeki optik saçılmanın şiddetine bağlıdır ve biyolojik dokularda ve biyofilmlerde 1-3 mm ile sınırlıdır. Numunedeki optik faz ve girişim yoğunluğu hareketle modüle edildiğinden, OCT yerel numune yer değiştirmesini tespit etmek için kullanılabilir. Numunedeki elastik dalgaların kararlı durum yer değiştirme alanını izlemek için OCE yönteminde OCT’nin yer değiştirme hassasiyetinden yararlanıyoruz. Spesifik olarak, fonksiyon üreteci, piezoelektrik dönüştürücüyü çalıştırmak için sinüzoidal bir voltaj verir. Dönüştürücü, sırayla, salınımlı bir zaman geçmişi ile gerilir ve büzülür. Dönüştürücünün salınımlı yer değiştirmesi, dönüştürücünün tepesindeki 3D baskılı bir kama ucu aracılığıyla numune yüzeyine sinüzoidal bir kuvvet verir ve numunede harmonik elastik dalgaların oluşmasına yol açar. Kama ucu, aktüatör numune yüzeyinden geri çekildikten sonra numunenin bozulmadan kalması için numune ile hafif temas sağlar. Numunedeki yerel yer değiştirmeyi kaydetmek için, numunedeki her pikselde sabit bir zaman gecikmesiyle ayrılmış bitişik derinlik taramaları elde edilir. Her piksel noktasındaki ardışık taramalar arasındaki optik faz farkı, aynı noktadaki yerel dikey yer değiştirme ile orantılıdır. OCT sistemindeki dönüştürücünün yer değiştirmesi ile tarama optikleri arasındaki senkronizasyon, fonksiyon üretecinden kaynaklanan ve gecikme üretecinde geciktirilen bir tetikleme darbesi ile sağlanır. Bu senkronizasyon adımı, numunedeki yerel optik faz dağılımının tutarlı kesit görüntülerinin elde edilmesini kolaylaştırır. Bu görüntüler, numunedeki yerel dikey harmonik yer değiştirme ile doğru orantılıdır ve OCE görüntüsü olarak bilinir. OCE görüntüleri, frekansın bir fonksiyonu olarak elastik dalga boyunu ve dalga hızını elde etmek için farklı dönüştürücü çalıştırma frekanslarında elde edilir. Ölçülen dalga hızları, numunenin elastik özelliklerini belirlemek için elastodinamik bir model ile analiz edilir.