Summary
この論文では、バイオフィルムの弾性特性を迅速かつ非破壊的に特性評価する上での光干渉エラストグラフィ(OCE)技術の有効性に焦点を当てています。正確な測定のための重要なOCE実装手順を解明し、2つの粒状バイオフィルムのヤング率値を提示します。
Abstract
バイオフィルムは、自己産生の細胞外高分子物質(EPS)に包まれた微生物細胞のよく組織化されたネットワークで構成される複雑な生体材料です。この論文では、バイオフィルムの弾性特性評価用に調整された光干渉エラストグラフィ(OCE)測定の実装について詳しく説明します。OCEは、半透明の軟質材料の微細構造、形態、粘弾性特性を高い空間分解能と時間分解能で局所的にマッピングできる非破壊光学技術です。この手法を正しく実施するための重要な手順を詳述した包括的なガイドと、収集した測定値から粒状バイオフィルムのバルクヤング率を推定する方法を提供します。これらは、システムのセットアップ、データ取得、および後処理で構成されます。このディスカッションでは、OCEで使用されるセンサーの根底にある物理学を掘り下げ、OCE測定の空間的および時間的スケールに関する基本的な制限を探ります。最後に、環境バイオフィルムの弾性測定を容易にするためのOCE技術を進歩させるための潜在的な将来の方向性を示します。
Introduction
廃水処理や水資源回収では、微生物が有機物、窒素、リン酸塩などの望ましくない汚染物質を水から容易に除去できる安定した形に変換できるようにするために、付着した成長反応器内の有益なバイオフィルムがますます採用されています1。これらの系では、バイオフィルムの創発機能、すなわち生化学的変換は、そこに生息する微生物の多様性と、これらの微生物が受け取る栄養素と密接に関連しています2。したがって、進行中のバイオフィルムの成長は、新しいバイオフィルムの成長がバイオフィルムの全体的な代謝プロセス、物質移動特性、およびコミュニティ組成を変化させる可能性があるため、一貫した反応器の機能を維持することに課題をもたらす可能性があります。バイオフィルムの環境を可能な限り安定させることで、このような変化を防ぐことができます3。これには、栄養素の一貫した流れを確保し、バイオフィルムの構造を安定した厚さで安定させることが含まれます4。バイオフィルムの剛性と物理的構造をモニタリングすることで、研究者はバイオフィルムの全体的な健康状態と機能に関する洞察を得ることができます。
バイオフィルムは粘弾性特性を示す5,6,7。この粘弾性により、外部の機械的力に応答して、瞬間的な変形と遅い時間依存の変形が組み合わされます。バイオフィルムのユニークな点の1つは、大きな変形を受けると、粘性のある液体のように反応することです。逆に、微小な変形を受けると、その応答は固体5に匹敵します。また、この小変形領域内には、バイオフィルムが直線的な力変位関係を示す変形範囲がある5,6,7。この線形範囲内の変形は、再現性のある測定が得られるため、バイオフィルムの機械的特性を評価するのに最適です。いくつかの手法は、この範囲内の弾性応答を定量化できます。光干渉エラストグラフィ(OCE)は、この線形範囲(10-4-10-5オーダーのひずみ)のバイオフィルムの分析に適応している新しい技術です8,9。
OCEのこれまでで最も確立された用途は生物医学分野で、表面的な光アクセスのみを必要とする生体組織の特性評価にこの技術が適用されています。例えば、Liらは、皮膚組織の弾性特性を特徴付けるためにOCEを用いた10。他の著者は、ブタとヒトの角膜組織の異方性弾性特性と、それらが眼圧によってどのように影響を受けるかを特徴付けました11、12、13、14、15、16。バイオフィルムを研究するためのOCE法のいくつかの利点は、非破壊でメソスケールの空間分解能を提供すること、サンプル調製を必要としないこと、および方法自体が迅速であることです。物理的構造と弾性特性(多孔性、表面粗さ、形態など)の同時登録測定を提供します8,9,17,18。
OCE法は、位相感応型光干渉断層撮影法(OCT)を用いて、試料内を伝搬する弾性波の局所変位を測定します。OCTは、サンプルの変位の局所的な変化を、光分光計で記録される強度変化に変換する低コヒーレンス光干渉計です。OCT技術は、メソスケール構造、3次元の空隙率分布、およびバイオフィルムの変形の特性評価のためのバイオフィルム研究にも利用されています17、19、20、21。さらに、Picioreanuらは、OCT断面変形画像の流体-構造連成逆モデリングを用いてバイオフィルムの力学的特性を推定した22。
一方、OCE測定は、逆弾性波モデリングと組み合わせることで、サンプル内の弾性波の波速が得られ、サンプルの弾性および粘弾性特性の特性評価が可能になります。私たちのグループは、バイオフィルムの弾性および粘弾性特性の定量的測定にOCE技術を採用し8,9,18、アガロースゲルプレートサンプルのせん断レオメトリー測定に対してこの技術を検証しました18。OCEアプローチでは、測定された弾性波速度がサンプルの弾性特性と相関しているため、バイオフィルム特性を正確かつ確実に推定できます。さらに、弾性波振幅の空間的減衰は、材料の粘性効果による粘弾性特性と直接相関させることができます。我々は、回転環状反応器(RAR)のクーポン上に増殖した混合培養細菌バイオフィルムと、弾力波モデルを用いた複雑な形状の粒状バイオフィルムの粘弾性特性のOCE測定を報告した18。
OCE技術は、粘弾性特性評価に使用される従来のレオメトリー18の強力な代替手段でもあります。レオメトリー法は、平面形状のサンプルに最適です。そのため、任意の形状および表面形態を有する粒状バイオフィルムは、レオメータ8,23上で正確に特性評価することができない。加えて、OCEとは異なり、レオメトリー法は、例えば、フローセル24,25におけるバイオフィルム成長中のリアルタイム測定に適応することが困難な場合がある。
本論文では、表面波の周波数に依存しない波速をOCEで測定することで、複雑なモデルを必要とせずにバイオフィルムの弾性特性を評価できることを示しました。この開発により、バイオフィルムの機械的特性を研究するために、より広範なバイオフィルムコミュニティがOCEアプローチをより利用しやすくなります。
図1 に、本研究で用いたOCTシステムの概略図を示します。このシステムには、市販のスペクトル領域位相感応型OCTシステム、遅延発生器、関数発生器、圧電トランスデューサなど、いくつかの機器が組み込まれています。OCTシステムは、中心波長930nmの広帯域光源を採用することにより、干渉法の原理で動作します。採取された光強度は、サンプルの複雑な構造の詳細と相関しており、後処理ユニットで分析され、一般にOCT画像と呼ばれるサンプルの断面画像に変換されます。OCTイメージングの深さは、屈折率の局所的な変動に起因するサンプル内の光散乱の重症度に依存し、生体組織およびバイオフィルムでは1〜3 mmに制限されます。試料中の光位相や干渉強度は動きによって変調されるため、OCTを用いて試料の局所的な変位を検出することができます。OCE法におけるOCTの変位感度を利用して、試料中の弾性波の定常変位場を追跡します。具体的には、関数発生器は正弦波電圧を出力して圧電トランスデューサを駆動する。次に、トランスデューサは振動する時刻歴で伸縮します。探触子の振動変位は、探触子の頂点にある3Dプリントされたくさびの先端を介して試料表面に正弦波の力を与え、試料に高調波弾性波を発生させます。ウェッジチップはサンプルと軽く接触するため、アクチュエータがサンプル表面から引き抜かれた後もサンプルは無傷のままになります。サンプルの局所的な変位を記録するために、一定の時間遅延で区切られた隣接する深度スキャンがサンプルの各ピクセルで取得されます。各ピクセルポイントでの連続スキャン間の光学的位相差は、同じポイントでの局所的な垂直変位に比例します。OCTシステムにおけるトランスデューサと走査光学系の変位間の同期は、関数発生器から発信され、遅延発生器で遅延されるトリガーパルスによって達成されます。この同期ステップにより、サンプル中の局所的な光位相分布の一貫した断面画像の取得が容易になります。これらの画像は、サンプル内の局所的な垂直高調波変位に正比例し、OCE画像として知られています。OCE画像は、異なるトランスデューサ作動周波数で取得され、周波数の関数として弾性波長と波速を取得します。測定された波速は弾力学的モデルで分析され、サンプルの弾性特性が決定されます。
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Protocol
1. システムのセットアップ
- 市販のOCTシステム(ベースユニット、スタンド、イメージングヘッド、コンピュータ)、波形発生器、トランスデューサ、遅延/パルス発生器、BNC接続付きスイッチ、BNCケーブルとアダプタ、光ポスト、クランプなどのシステムコンポーネントを収集します。
- 関数発生器からの同期信号をスイッチに接続します。スイッチのもう一方のポートを遅延発生器に接続します。
- 関数発生器の出力をトランスデューサのリード線に接続します。
- 遅延発生器の出力をOCTベースユニットの背面にあるトリガーチャンネルに接続します。遅延発生器からの出力信号は、OCTシステムにおける走査光学系の動きを開始するためのトリガパルスである。
- システムコンポーネント(OCTベースユニット、コンピューター、関数発生器、遅延発生器)の電源を入れ、OCTソフトウェアを起動します。
- トランジスタ-トランジスタ間のロジックトリガ信号をOCTベースユニットに送信するように遅延発生器を設定します。トリガー信号の要件については、OCTシステムマニュアルを参照してください。
- トランスデューサーをOCTレンズの下に配置します。トランスデューサには、3Dプリントされたウェッジチップが端の1つに接着されており、弾性波のラインソースとして機能します。
2. 画像取得
- OCTソフトウェアで、 ドップラー・アクイジション・モード を選択し、外部トリガを有効にします。
- 粒状バイオフィルムをサンプルホルダーのレンズの下に置き、トランスレーションステージを使用してトランスデューサーの先端に向かって移動させます。 図2に示すように、探触子がサンプル表面に穏やかに接触していることを確認します。呼び径の異なる2つの粒状バイオフィルム(粒状汚泥とも呼ばれる)を使用しました(4.3mmと3.3mm)。この選択は、バイオフィルムのサイズがその機械的特性に与える影響を調査するために行われました。これらは商業的に入手された。
注:この研究で使用したサンプルホルダーは、複数の半球状のくぼみを持つ3Dプリントされたプラスチックプレートで構成されています。このホルダーは、ネイティブ条件下での測定を許可しません。そのため、測定時に自然環境からの水を導入し、サンプルの乾燥を防ぎました。 - サンプルモニターウィンドウで、関心線(波動伝搬経路) の始点と終点 をクリックして、スキャン領域を指定します。この線を探触子の先端に対して中央に配置し、先端の端に対して垂直になるようにします。
- スキャン領域に沿った画素数とサンプルの深さを指定し、記録するB-スキャン(2D断面画像)の数を増やすことで、OCE画像のS/N比を向上させます。提示された結果は、スキャンパスに沿って1523ピクセル、深度に沿って1024ピクセルを使用して取得されました。合計50回のB-スキャンが行われました。
- [ スキャン ]ボタンをクリックして、スイッチをオンにします。OCTとOCEの画像が画面に表示されます。トリガータイムアウト時間とスキャン準備時間内にスイッチをアクティブにします。
- 基準強度が最適な範囲内にあることを確認し、OCT顕微鏡対物レンズの焦点領域内にサンプルを配置します。適切に焦点を合わせたサンプルは、その上端が画像の上部に近いはずです。
- 表示ツールバーのOCE画像の位相輪郭を調整するには、左側のカラーバーの高い値を増やし、右側のカラーバーの下限値を小さくします。これにより、フリンジのコントラストが増します。
- フロントパネルの [Sine ]ボタンを押して単一周波数の正弦波電圧を生成するように関数発生器を構成し、測定の開始励起周波数を指定します。この研究の測定値は 4 kHz から始まり、9.6 kHz で終わります。出力キーを押して、出力コネクタを有効にします。
- 測定の許容電圧を設定します。この値により、フリンジの可視性が最大化されますが、位相の折り返しも回避されます。この研究のバイオフィルムと測定の周波数範囲では、通常、5〜10Vの電圧でコントラストの良い位相マップが得られます。
- OCT画像とOCE画像を取得するには、[ 記録 ]ボタンをクリックします。
- 異なる周波数で測定を繰り返して、異なる波長(またはフリンジ周期)の弾性波場の断面画像を取得します。
3. 画像解析
- ピクセルの物理サイズを取得します。x の物理ピクセル サイズは、x 方向の視野を x 方向の画像サイズで除算し、2 の係数を掛けることによって得られます。zの物理ピクセルサイズは、z方向の視野をz方向の画像サイズで割ることによって得られます。視野とイメージ サイズの値は、ThorImageOCT パッケージの MATLAB SDK で提供されている関数 OCTFileOpen でアクセスできるイメージ情報とともに構造体配列に格納されます。
- OCTFileGetIntensity 関数と関数 OCTFileGetPhase をそれぞれ使用して OCT 行列と OCE 行列を取得し、記録されたフレームの平均を求めます。これらの関数は、MATLAB SDK の ThorImageOCT パッケージで提供されています。
- イメージを 2 値化し、各列で上から下に白いピクセルを検出することで、サンプルの上端のピクセル位置を取得します。
- 関数 improfile を使用して、このエッジに沿った OCE イメージの位相分布を抽出し、実際の次元で累積円弧長を計算します。円弧の長さは、x 方向と z 方向の連続する点間のスケーリングされた差のノルムの累積和を取ることによって計算します。
- 関数 plomb を使用して、累積アーク長に関して、測定された OCT 位相分布の空間高速フーリエ変換を (つまり、OCE 画像から) 計算します。
- スペクトル内のピークの位置を決定します。この位置は、波の空間周波数を表します。振動子の励起周波数(Hzの単位)と空間周波数(逆長の単位)の比から波速(または位相速度)を計算します。
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Representative Results
本研究では、市販されている粒状バイオフィルム(粒状汚泥)を用いた。顆粒は、自己凝集によって形成される球状のバイオフィルムであり、成長するための担体や表面を必要としないことを意味する26。 図3A は、粒状バイオフィルムにおける局所屈折率の空間的変化によって生じる代表的な断面OCT画像を示す。バイオフィルムの公称直径は3mmです。サンプルの表面に近い細孔や空隙など、内部の特徴の一部が画像に見られます。試料の深さに沿って光散乱が増加すると、OCT光源が試料の中心に届かなくなり、中央領域には識別可能な情報が失われます。 図3B は、探触子の励起周波数が5.1kHzの場合のサンプルの断面OCE画像を示しています。画像内の局所的なコントラストは、サンプル内の伝搬弾性波によって引き起こされる局所的な垂直変位と相関しています。伝搬経路に沿った縞の物理的な間隔は、弾性表面波の波長に対応します。表面波は試料表面付近を伝搬し、波長に近い浸透深さを有する。表面波変位の空間的広がりは、サンプル中のOCT光源の光学的透過が限られているため、画像には見られません。弾性波伝搬経路に沿った光位相分布(図4A)を使用して、表面波の空間周波数を決定します。空間周波数は、高速フーリエ変換(FFT; 図4B)データのうち、FFTスペクトルの振幅が最大になる周波数を選択します。
OCE画像で最適なコントラストを示すフリンジパターンを生成するのに十分な大きさのファンクションジェネレータ電圧を選択することが重要です。ただし、過度に大きな電圧は、 図5Aに示すように、OCEイメージで位相ラッピングが発生する可能性があるため、避ける必要があります。位相ラッピングは、測定における光位相差が-πとπの間の間隔に制限されるために発生します。位相がこれらの制限の 1 つを超えると、反対の限界に折りたたまれ、不連続な位相分布が作成されます。その結果、位相アンラッピングの必要性が生じ、課題が生じ、不正確さが生じる可能性があります。正確な波動測定のために考慮すべきもう一つの要因は、OCE画像内に存在するフリンジの数です。 図5Bに示す低いトランスデューサ周波数では、顆粒のサイズが小さいため、表面波の完全な振動サイクルが完全に捕捉されない可能性があり、FFTスペクトルは空間周波数(または逆波長)の誤った推定値を生成する可能性があります。空間周波数推定の誤差のもう1つの原因は、OCT画像に表面波やバルク横波などの空間的に重なり合う弾性波モードが存在することです。これらの波形モードが混ざり合い、複雑な干渉パターンが設定され、解析が困難になる場合があります。表面波以外のさまざまな波モードが存在すると、特定のサンプル、励起周波数、および振幅に応じて、探触子の近くに干渉効果が生じる可能性があります。 図6 は、励起周波数5.5kHzで得られたOCE画像の例で、局所的な励起点付近のバルク横波が表面波場と干渉しています。 図7A は、 図4Aで観察された減衰する正弦波パターンから発散する位相分布を示しており、波動モードの組み合わせに起因しています。その結果、結果として得られるFFTは、 図7Bに示すように、より広いピークを示します。ボイドや弾性/粘弾性特性の著しい変動を伴う領域などの欠陥の近くでも同じ現象が発生する可能性があります。これらの領域では、入射波または表面波と欠陥からの散乱波の干渉により、局所変位場が修正されます。
公称直径の異なる2つの粒状バイオフィルム(4.3mmと3.3mm)について、4.0〜9.6kHzの周波数で表面波の波速を計算しました。波速プロットは分散曲線と呼ばれます。使用した設定では、各分散測定に約 15 分かかりました。選択した周波数間隔内で、正弦波変位プロファイルの複数のサイクルがOCE画像に存在するため、顕著な位相コントラストとともに空間周波数を正確に決定できます。 図8 は、得られた分散曲線を示しています。これらの曲線は、各サンプル内の 3 つの位置の平均分散曲線を表します。表面波速度は、レイリー波速度と呼ばれる一定の値に近づき、cRは、関係を通じてサンプルのせん断弾性率に関連しています。
cR = ((0.862 + 1.14ν)/ (1 + ν)) x (G/r)1/2
ここで、Gはせん断弾性率、rは質量密度、νはポアソン比27,28です。弾性波の浸透深さが試料の直径よりも短いため、一定です。基本的に、弾性波はヤング率28の2乗に正比例する波速でサンプルの表面近くを伝わります。ただし、測定ノイズのため、この周波数範囲では波速は完全に一定ではありません。小さいサンプルでは6.0〜9.6kHz、大きいサンプルでは4.0〜9.6kHzの周波数の波速の平均を取ります。次に、この平均波速を使用して、サンプルのヤング率を推定します。
サンプルは含水率が高いため、非圧縮性であると仮定します。そのため、ν = 0.5です。したがって、cRは非圧縮性固体のE = 3Gに直接関係し、ここでEはサンプル27,28のヤング率です。図8の破線は、各サンプルのレイリー波の速度を表しています。我々は、1000 kg / m3の密度をもたらす水を主成分とするバイオフィルム組成を想定しています。その結果、公称直径が4.3mmの粒状バイオフィルムでは、粒状バイオフィルムのヤング率がそれぞれ85 kPaと205 kPaになります。この測定により、バイオフィルム間の機械的特性の違いを識別する技術の能力が確認されました。
図1:光コヒーレンスエラストグラフィのセットアップ。 ここで使用したシステムの概略図を図に示します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:マウントされたサンプル。 粒状バイオフィルムはサンプルホルダー上に配置され、トランスデューサーはサンプルホルダーに穏やかに接触します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:粒状バイオフィルムのOCTおよびOCT画像。 (A)OCT画像。(B)5.1kHzで伝搬する表面波のOCE画像で、良好なフリンジコントラストが見られます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:位相分布とFFT。図3Bに示す画像の場合、(A)試料の上端に沿った位相差分布と(B)FFTの位相差分布が狭いピークを示している。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5:粒状バイオフィルムのOCTおよびOCT画像。 (A)位相ラッピングを示す5.1kHzで伝搬する表面波のOCE画像。(B)1.3kHzで全周期で伝搬する表面波のOCE画像。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図6:モードの組み合わせを示すOCE画像。 この画像はサンプルの別の場所からのもので、5.5 kHz で伝搬する波のモードの組み合わせを示しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図7:位相分布とFFT。 図6に示す画像では、(A)サンプルの上端に沿った位相差分布と(B)より広いピークを示す位相差分布のFFTを示しています。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図8:分散曲線。 サイズの異なる 2 つのサンプルの波速を、標準偏差バーで異なる周波数で表示します。曲線の平坦な部分に対応するレイリー波速が上にプロットされます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
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Discussion
OCTシステムで達成可能なイメージング深度は、光源からの光の透過度によって決まり、光源の波長によって異なります。さらに、波長は軸方向の分解能を決定します。波長が長いほどサンプルの奥深くまで浸透できますが、その代償として、波長が短い場合に比べて軸方向分解能が低下します。一方、横方向の分解能は、システムの開口数と波長の両方に依存し、波長が短いほど分解能が高くなります。開口数を増やすことは、被写界深度29を制限することによるトレードオフをもたらす。空間分解能は、十分なS/N比で検出できる最短弾性波長に制限される。現在のOCE手法は0.5mm9,30に制限されています。この手法はサンプルのサイズによって制限されますが、さまざまなタイプのバイオフィルムに適用できるはずです。バイオフィルムの形状は、粒状または平らで、技術を阻害しません。サンプルの透明度も、浸透深さの決定に一役買っています。透明度の高い材料は、光がすべてのサンプルを通過し、観察に気づかないようにするのに対し、不透明なサンプルは光の透過を妨げ、内部構造の詳細を最小限に抑えます9,28。この研究の文脈では、ミリメートル範囲の浸透深さで十分です。
これらの測定で考えられるもう一つの問題は、サイズが弾性波サイクル数を制限しない大きなサンプルでは、OCT顕微鏡の視野(FOV)が測定サイクル数の制限要因になる可能性があることです。ここでの測定では、FOV は 9 mm x 9 mm に制限されています。したがって、9mmより長い弾性波長は、このOCT顕微鏡では分解できません。より広い視野を持つレンズを利用することで、より大きなサンプルのイメージングが可能になり、これらの低周波数でより多くのフリンジが得られます。課題は、より高い周波数でも発生します。この研究のサンプルでは、10 kHzを超えると、波が著しく減衰し、位相差分布の大きさが減少し、空間周波数の決定が複雑になります。この懸念は、関数発生器の電圧を増強し、それによってトランスデューサの変位を増加させることによって軽減できます。ただし、変位を大きくすることは、最終的に位相ラッピング9で終わるため、ある時点までは有用です。あるいは、より高い出力の光源を実装することでシステムの感度を高めることで、大きな変位によって引き起こされる位相ラッピングを打ち消し、小さな励起に対する動的応答の検出を容易にすることができます。感度が高いほど、非接触荷重の利点を提供するが、高減衰31の影響をより深く受ける音響OCE法の実施が容易になる。
バイオフィルムでこれらの測定を行う場合は、サンプルの水和を保つことが重要です。乾燥は望ましくない剛性の増加につながりますが、ネイティブ環境でのサンプルの特性評価に重点が置かれているため、これは無関係です。照明誘起乾燥については研究しなかった。しかし、測定中は自然環境からの水が定期的に添加されており、その間、OCT画像でサンプルの形態をモニターしたところ、形態の変化は認められませんでした。さらに、探触子を配置してOCE画像をキャプチャする際には、OCT画像で識別される特徴を考慮することが不可欠です。波の伝搬経路に沿った不均一性は、波動場を歪める可能性があるため、避けるべきである9。さらに、サンプルに過度の圧力をかけると、その機械的特性が変化する可能性があるだけでなく、波動場の歪みにつながる可能性があるため、バイオフィルムとの穏やかな接触を維持することが重要です。最後に、高調波の空間周波数が測定値から正確に決定されるように、スキャン領域は波面に対して垂直でなければなりません。
一部の周波数では、両方のサンプルで波速の有意な変動が観察されましたが、これは固有の不均一性、その特定の周波数での波動場、および伝搬経路の形態に起因する可能性があります。我々は以前、切断された粒状バイオフィルム全体で測定された波速プロファイルが、不均一な微細構造のために不均一であることを示しました9。したがって、粒状バイオフィルムにこの技術を採用する場合、サンプル全体の複数の場所で測定を行い、平均化された表現を導き出すことが不可欠です。
分散曲線に関する重要な観察は、分散曲線がサンプルサイズごとに異なる挙動を示すことです。サンプルが大きい場合、曲線は測定範囲全体で比較的一定に保たれます。ただし、サンプルが小さい場合、特に範囲の下部で、周波数が高くなるにつれて波速が上昇傾向にあります。この現象は、低周波数での粘弾性効果の存在と弾性導波路モードの生成に起因する可能性があります。これらの効果については、以前の研究で、より洗練された逆モデル8,9,18を用いて説明しました。
好気性粒状システムでは、バイオマスが反応器の高さ全体に均等に分布していないことに注意することが重要です。非曝気段階では、大きな顆粒が反応器の底に沈殿する傾向があります。この不均一な分布により、さまざまなサイズの凝集体がさまざまな量の基質にアクセスできます。その結果、さまざまなサイズの集合体が明確なコミュニティ構成を示します。さらに、余分なスラッジは選択的に除去されるため、大きな顆粒は反応器に長期間保持される傾向があり、小さな顆粒はより簡単に除去される傾向があります32。ヤング率の顕著な違いは、バイオフィルムの組成、年齢、および機械的特性の間に潜在的な関係があることを示唆しています。
要約すると、光干渉エラストグラフィ(OCE)法は、バイオフィルムの弾性波速度を評価するための迅速かつ非破壊的な手段を提供します。この方法は、レオロジー測定の制約を克服し、他のエラストグラフィ技術と比較して強化された属性を示します8,18。さらに、その適用性は、粒状バイオフィルムを超えて、ヒドロゲル33、角膜34、および皮膚35などの例を含む、システムによって分解されるのに十分な大きさの適切な光学的浸透深さおよびサイズを有する任意の部分的に透明な試料を包含する。この手法の将来の進歩には、いくつかの重要な側面があります。まず、高調波弾性波の周波数を数百kHzの範囲に上げることで、数マイクロメートルの波長が可能になり、同程度のスケールの空間分解能が得られます。第二に、OCTシステムの光パワーを2mW(電流)から20mWに増やすことで、光学検出システムの信号対雑音比を強化します。最後に、接触高調波アクチュエータを非接触音響放射圧力源に置き換えます。この追加により、非侵襲的および非破壊的な操作が容易になり、ネイティブ環境でバイオフィルムサンプルを調査できるようになります。
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Disclosures
著者は利益相反がないことを宣言します。
Acknowledgments
著者らは、この研究で研究した粒状バイオフィルムを提供してくれたAqua-Aerobic Systems, Inc.(米国イリノイ州ロックフォード)に感謝の意を表している。著者はまた、賞#210047および#193729を通じて、全米科学財団の支援に感謝しています。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printed sample holder | |||
| 3D printed wedge tip | 3 mm width | ||
| BNC cables | Any brand | ||
| Delay generator | Stanford Research Systems | DG535 | DG535 Digital delay/ Pulse Generator |
| Function generator | Agilent Technologies | 33250A 80 MHz Function / Arbitrary Waveform Generator | |
| Granular biofilm | Aqua-Aerobic Systems | Obtained from an Aerobic Granular Sludge reactor (Aqua-Aerobic Systems, Inc.) | |
| MATLAB | MathWorks | Release 2022a (MATLAB 9.12) | |
| Piezoelectric transducer | Thorlabs | PK2JUP1 | Discrete Piezo Stack, 75 V, 30.0 µm Displacement |
| SD-OCT System | Thorlabs | Ganymede II, LSM03 scan lens | |
| ThorImageOCT | Thorlabs | Version: 5.5.5 |
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