Инфекциозните заболявания като маларията остават водеща причина за смърт в много региони. Това отчасти е така, защото хората там нямат достъп до медицински диагностични инструменти, способни да открият тези заболявания (както и редица неинфекциозни заболявания) на ранен етап, когато има повече възможности за лечение.
Това е предизвикателство, което учените са поели с цел демократизиране на здравеопазването за хора в икономически неравностойно положение по целия свят.
Моите колеги и аз разработихме нов метод за изследване на биологични клетки, който е достатъчно малък, за да се побере в обектива на смартфон.
Въпреки че досега сме го тествали само в лаборатория, се надяваме, че в бъдеще тази нанотехнология може да позволи откриването на заболявания в реални медицински контексти с помощта на обикновено мобилно устройство. Надяваме се, че нашата работа в крайна сметка може да помогне за спасяването на милиони животи.
Как да изследваме биологична клетка Възможността за изследване на биологични клетки с помощта на оптични микроскопи е основна част от медицинската диагностика.
Всъщност специфичните промени в клетките, които могат да се видят под микроскоп, често са показателни за заболяване. В случай на малария, например, методът за откриване на златен стандарт е да се използват изображения с микроскоп за идентифициране на специфични промени в червените кръвни клетки на пациента.
Но биологичните клетки са добри в скриването. Много от техните вътрешни характеристики са практически прозрачни и почти невидими за конвенционалните микроскопи. За да направим тези функции видими, трябва да приложим трикове.
Един от начините е да се въведе някакъв вид химическо оцветяване, което добавя контраст към прозрачните характеристики на клетките.
Други подходи използват процес, наречен “фазово изобразяване”. Фазовото изобразяване използва факта, че светлината, която е преминала през клетката, съдържа информация за прозрачни части на клетката – и прави тази информация видима за човешкото око.
Конвенционалните методи за фазово изобразяване разчитат на набор от обемисти компоненти като призми и интерференционни настройки, които струват хиляди долари. Освен това скъпото и обемисто оборудване не може да бъде лесно достъпно в отдалечени райони и в икономически неблагоприятни страни.
Стъпка към нанотехнологиите Понастоящем големи научни усилия са насочени към използването на нанотехнологиите за замяна на традиционните големи оптични компоненти.
Това се постига чрез създаване на устройства с нанометрова дебелина с потенциал за евтино масово производство. Тези устройства могат да бъдат интегрирани в мобилни устройства, като камери за смартфони, в бъдеще.
В конкретния случай на фазово изобразяване, учените досега са успели да разработят само системи, които: Зависят от отнемаща време компютърна последваща обработка, което прави процеса по-сложен и не позволява изобразяване в реално време и все още използва механично движение или въртящи се части. Поради размера на тези части, те са несъвместими с напълно плоски оптични компоненти и свръхкомпактна интеграция.
Разработихме устройство, което може да извършва мигновени фазови изображения без тези ограничения. Нашето решение е с дебелина само няколкостотин нанометра и може да бъде интегрирано в обективите на фотоапарата, като плосък филм над обектива.
Как го направихме. Вписахме наноструктура в много тънък филм (с дебелина по-малко от 200 нанометра), който позволява фазово изобразяване, използвайки ефект, понякога наричан “оптично спин-орбитално свързване”.
Принципът на работа е прост. Над устройството се поставя прозрачен обект, например биологична клетка. Светлината блести през клетката и невидимата преди това структура на клетката става видима от другата страна.
В нашата скорошна публикация в ACS Photonics ние описваме как успешно демонстрирахме използването на този метод в лабораторна среда с изкуствено генерирани прозрачни обекти. Обектите измерват само няколко микрометра и следователно са сравними с биологични клетки.
Тъй като този метод позволява фазово изобразяване, но не се занимава с увеличение на малки обекти като клетки, той все още изисква големи лещи за осигуряване на увеличение. Въпреки това, ние сме уверени, че в бъдеще нашето устройство може да бъде интегрирано с плоски лещи, от други постижения в нанотехнологиите.
Къде може да ни отведе? Предизвикателство с настоящото прототипно устройство е производствената цена от около 1000 австралийски долара. Използвахме няколко скъпи метода за нанопроизводство, които се използват и за производството на компютърни чипове.
Въпреки това, като се възползваме от икономиите от мащаба, свързани с производството на чипове, ние вярваме, че можем да постигнем бързо и евтино производство на това устройство през следващите няколко години.
Досега тази работа сме правили само в лаборатория. Виждането на технологията да стане достъпна в медицински мобилни устройства ще изисква сътрудничество с медицински инженери и учени, които са специализирани в разработването на такива инструменти.
Нашата дългосрочна визия за технологията е да позволим на мобилните устройства да изучават биологични екземпляри по начини, които все още не са били възможни.
В допълнение към възможността за дистанционна медицинска диагностика, той може да осигури и домашно откриване на заболяване, при което пациентът може да получи своя собствена проба чрез слюнка или кръвно убождане и да изпрати изображението в лаборатория навсякъде по света.
(Тази история не е редактирана от екипа на Devdiscourse и се генерира автоматично от синдикиран канал.)
.
