InnovandO

Hacia la clasificación taxonómica y reconocimiento de formas de nanopartículas

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Original Article Articulo original

Towards the taxonomic categorization and recognition of Hacia la clasificación taxonómica y el reconocimiento de

nanoparticle shapes formas de nanopartículas

Miguel Muñoz-Mármol, MS Miguel Muñoz-Mármol, MS

a un

, José Crespo, Prof. Dr. , José Crespo, Prof. Dr.

a un

, ,

Martin J. Fritts, PhD J. Martin Fritts, PhD

b segundo

, Víctor Maojo, Prof. Dr. , Víctor Maojo, Prof. Dr.

a, un,

⁎ ⁎

a un

Biomedical Informatics Group, Universidad Politécnica de Madrid, Campus de Montegancedo, L3204, Boadilla del Monte, Madrid, Spain Grupo de Informática Biomédica, Universidad Politécnica de Madrid, Campus de Montegancedo, L3204, Boadilla del Monte, Madrid, España

b segundo

Material Measurement Laboratory, Materials Measurement Science Division, Bldg. Laboratorio de Medición de material, División de Ciencias de Materiales Medición, Bldg. 223, Room A249, National Institutes of Standards and Technology, 223, A249 habitaciones, Instituto Nacional de Estándares y Tecnología,

100 Bureau Drive, Stop 8520, Gaithersburg, MD, USA 100 Mesa Drive, Detener 8520, Gaithersburg, MD, EE.UU.

Received 27 February 2014; Recibido el 27 de febrero de 2014; accepted 17 July 2014 aceptó 17 de julio de 2014

Abstract Abstracto

The shape of nanoparticles and nanomaterials is a fundamental characteristic that has been shown to influence a number of their La forma de las nanopartículas y nanomateriales es una característica fundamental que se ha demostrado que influyen en un número de sus

properties and effects, particularly for nanomedical applications. propiedades y efectos, en particular para aplicaciones nanomédicos. The information related with this feature of nanoparticles and nanomaterials La información relacionada con esta característica de nanopartículas y nanomateriales

is, therefore, crucial to exploit and foster in existing and future research in this area. Es, por tanto, crucial para explotar y fomentar en la investigación actual y futura en esta área. We have found that descriptions of morphological and Hemos encontrado que las descripciones de morfológica y

spatial properties are consistently reported in the nanotechnology literature, and in general, these morphological properties can be observed propiedades espaciales se presentan constantemente en la literatura la nanotecnología, y, en general, estas propiedades morfológicas se pueden observar

and measured using various microscopy techniques. y medido utilizando diversas técnicas de microscopía. In this paper, we outline a taxonomy of nanoparticle shapes constructed according to En este trabajo, se describe una taxonomía de las formas de nanopartículas construido de acuerdo con

nanotechnologists' descriptions and formal geometric concepts that can be used to address the problem of nanomaterial categorization. descripciones nanotecnología 'y conceptos geométricos formales que pueden ser utilizados para abordar el problema de categorización nanomaterial. We Nosotros

employ an image segmentation technique, belonging to the mathematical morphology field, which is capable of identifying shapes in images emplear una técnica de segmentación de imágenes, perteneciente al campo de morfología matemática, que es capaz de identificar formas en imágenes

that can be used to (semi-) automatically annotate nanoparticle images. que se puede utilizar para (semi-) anotar automáticamente imágenes de nanopartículas.

From the Clinical Editor: This team of authors outlines a taxonomy of nanoparticle shapes constructed according to nanotechnologists' Desde el editor clínico: Este equipo de autores esbozan una taxonomía de las formas de nanopartículas construido de acuerdo con expertos en nanotecnología '

descriptions and formal geometric concepts enabling nanomaterial categorization. descripciones y conceptos geométricos formales que permitan a la categorización de nanomateriales. They also employ a mathematical morphology-based También emplean un matemático morfología-basado

image segmentation system, capable of identifying shapes and can be utilized in semi-automated annotation of nanoparticle images. sistema de segmentación de imágenes, capaz de identificar formas y pueden ser utilizados en la anotación semi-automatizado de imágenes de nanopartículas.

Key words: Nanoparticle shapes; Palabras clave: formas de nanopartículas; Taxonomic categorization; categorización taxonómica; Nanoinformatics; nanoinformática; Image processing; Procesamiento de imágenes; Watershed segmentation la segmentación de cuencas

Shape is a fundamental characteristic of components of living La forma es una característica fundamental de los componentes de la vida

beings andentitiessuchas viruses,cells,bacteria, organs, and,from seres andentitiessuchas virus, células, bacterias, órganos y, desde

an atomic perspective, of molecules and macromolecules, which una perspectiva atómica, de moléculas y macromoléculas, que

includes nanoparticles. incluye nanopartículas. Regarding the latter, important character- Con respecto a este último, caracterizado importante

istics of nanoparticles to medical applications such as drug delivery ticas de las nanopartículas para aplicaciones médicas, como la administración de fármacos

capabilities, adsorption, or the effectiveness of “nanodrugs” have capacidades, la adsorción, o la eficacia de "nanofármacos" tienen

shown to be influenced by the shape they present. demostrarse que están influidas por la forma que presentan.

1–6 1-6

A fundamental and pending problem in nanotechnology is the Un problema fundamental y pendiente en la nanotecnología es la

categorization and nomenclature of nanoparticles. categorización y la nomenclatura de las nanopartículas. To address Dirigirse

this problem, two essential criteria have been identified este problema, se han identificado dos criterios esenciales

7 7

: :

uniqueness -so we can know exactly what materials we are singularidad -así podemos saber exactamente lo que estamos materiales

talking about- and equivalence -to indicate if two materials are hablando- y equivalencia: para indicar si dos materiales son

essentially the same one. esencialmente la misma.

One of the first attempts for classifying nanostructured materials Uno de los primeros intentos para clasificar los materiales nanoestructurados

was made by Gleiter, fue hecha por Gretel,

8 8

who considered the heterogeneousness of que considera la heterogeneidad de

nanocompounds and the dimensionality of nanocomponents. nanocompuestos y la dimensionalidad de nanocomponentes. This Esta

approachwasextendedbyPokropivnyandSkorokhod, approachwasextendedbyPokropivnyandSkorokhod,

9 9

combining combinatorio

the dimensionality of the nanocompounds. la dimensionalidad de los nanocompuestos. Similarly, Tomalia Del mismo modo, Tomalia

10 10

proposed thedevelopment of a“periodictable”ofnanoparticles and thedevelopment propuesta de un ofnanoparticles "PeriodicTable" y

nanomaterials, including “shape” and “size” as two characteristics. nanomateriales, entre ellos "forma" y "tamaño" como dos características.

Given the variability of these morphospatial characteristics of Dada la variabilidad de estas características morphospatial de

nanoparticles and nanomaterials, nanopartículas y nanomateriales,

11 11

knowing the shapes and forms conocer las formas y formas

of nanoparticles can be a necessary component of future de nanopartículas puede ser un componente necesario del futuro

classificationsofnanoparticlesandanaidindiscerningmechanisms classificationsofnanoparticlesandanaidindiscerningmechanisms

for their interactions in different environments. por sus interacciones en diferentes entornos.

The development of new nanomaterials by design requires El desarrollo de nuevos nanomateriales de diseño requiere

categorizations of candidate materials based on their mechanisms categorizaciones de los materiales candidatos basándose en sus mecanismos

of action. de acción. These mechanisms of action depend on a range of Estos mecanismos de acción dependen de una serie de

particle properties such as size, shape, crystal structure, reactivity, propiedades de las partículas tales como el tamaño, forma, estructura cristalina, la reactividad,

electronic band structure, toxicity, or affinity to biomolecules, etc., teoría de bandas, la toxicidad, o afinidad a las biomoléculas, etc.,

in addition to the properties of the media in which they are Además de las propiedades de los medios en los que están

dispersed. disperso. Consequently, any categorization effort should accom- En consecuencia, cualquier esfuerzo categorización debe acom-

modate annotation and mappings with respect to additional modate anotación y asignaciones adicionales con respecto a la

properties. propiedades. Moreover, there is a growing need for the research Además, existe una creciente necesidad de la investigación

BASIC SCIENCE CIENCIA BÁSICA

Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine Nanomedicina: Nanotecnología, Biología, Medicina y

11 (2015) 45 7–465 11 (2015) 45 7-465

nanomedjournal.com nanomedjournal.com

The authors of this work declare that there is not any competing Los autores de este trabajo declaran que no hay ninguna competir

commercial interest regarding the contents of this article. interés comercial en relación con el contenido de este artículo.

⁎Corresponding author at: D-2102, Departamento de Inteligencia ⁎Corresponding el autor en: D-2102, Departamento de Inteligencia

Artificial, Facultad de Informática, Universidad Politécnica de Madrid, Artificial, Facultad de Informática, Universidad Politécnica de Madrid,

Campus de Montegancedo s/n, 28660, Boadilla del Monte (Madrid) Spain. Campus de Montegancedo s / n, 28660, Boadilla del Monte (Madrid) España.

E-mail address: vmaojo@infomed.dia.fi.upm.es (V. Maojo). Dirección de correo electrónico: vmaojo@infomed.dia.fi.upm.es (V. Maojo).

Please cite this article as: Muñoz-Mármol M, et al, Towards the taxonomic categorization and recognition of nanoparticle shapes. Nanomedicine: NBM Por favor citar este artículo como:.-Muñoz Mármol M, et al, Hacia la clasificación taxonómica y reconocimiento de formas de nanopartículas Nanomedicina: NBM

2015;11:457-465, http://dx.doi.org/10.1016/j.nano.2014.07.006 2015; 11: 457-465, http://dx.doi.org/10.1016/j.nano.2014.07.006

http://dx.doi.org/10.1016/j.nano.2014.07.006 http://dx.doi.org/10.1016/j.nano.2014.07.006

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community to label existing nanoparticles according to other comunidad para etiquetar nanopartículas existentes de acuerdo con otra

properties beyond their physical, chemical, or structural informa- propiedades más allá de su, química, física o información estructural

tion. ción. For instance, the production technique employed in their Por ejemplo, la técnica de producción empleada en su

manufacture or even their manufacturing lot number may be fabricar o incluso su número de lote de fabricación puede ser

needed to correctly differentiate nanoparticles of the same type necesaria para diferenciar correctamente nanopartículas del mismo tipo

with respect to their purity, contaminants and lot-to-lot variability. con respecto a su pureza, los contaminantes y la variabilidad de lote a lote.

In this work, we propose an approach to manage these features of En este trabajo, se propone un enfoque para administrar estas características de

nanoparticlesandnanomaterialsbytheuseof avisualcomputational nanoparticlesandnanomaterialsbytheuseof avisualcomputational

taxonomy. taxonomía. Ontologies have been shown to be a fundamental tool for Ontologías han demostrado ser una herramienta fundamental para

scientific research in a large number of fields, la investigación científica en un gran número de campos,

12 12

serving as a sirviendo como

reference for knowledge management. referencia para la gestión del conocimiento. Examples such as the Gene Ejemplos tales como el gen

Ontology Ontología

13 13

are representative of such a trend. son representativos de esta tendencia. Current ontologies are Ontologías son actuales

based on textual information about the represented domains. basándose en la información textual sobre los dominios representados.

Ontologies formally represent knowledge by structuring the Ontologías representan formalmente el conocimiento mediante la estructuración de la

semantics associated with the terms used in particular disciplines semántica asociada con los términos utilizados en las disciplinas particulares

and/or use cases in a machine-interpretable way. y / o en los casos de uso en una forma interpretable por máquina.

14 14

By gathering mediante la recopilación

those terms, they generate a framework for terminology esos términos, que generan un marco para la terminología

standardization. normalización.

15 15

However, this approach does not consider a Sin embargo, este enfoque no tiene en cuenta una

fundamental aspect of many entities, such as living beings: their aspecto fundamental de muchas entidades, tales como seres vivos: su

visual components and features. componentes visuales y características. The representation of visual La representación de visual

characteristics-such as shapes-has not been disregarded in current -características tales como formas-no se ha hecho caso omiso de la corriente

applied ontologies ontologías aplicadas

16–18 16-18

; ; the Foundational Model of Anatomy, el Modelo Fundacional de Anatomía,

17 17

to a

name an example, is an ontology designed to represent human nombrar un ejemplo, es una ontología diseñada para representar humana

anatomy. anatomía. This ontology represents spatial information with textual Esta ontología representa la información espacial con textual

descriptions, using terms such as “ventral”, “dorsal”, “axis”, etc. In descripciones, utilizando términos como "ventral", "dorsal", "eje", etc.

thisandotherontologiesthatmustdealwithavarietyofshapes,their thisandotherontologiesthatmustdealwithavarietyofshapes, su

descriptions are usually qualitative. descripciones son generalmente cualitativa. However, to establish spatial Sin embargo, para establecer espacial

relationships between visual entities quantitatively it is necessary to relaciones entre las entidades visuales cuantitativamente es necesario

incorporate different types of characteristics and information, which incorporar diferentes tipos de características e información, que

can rely, for instance, on mathematical theories of geometry, puede depender, por ejemplo, en las teorías matemáticas de la geometría,

topology, and sets. topología y conjuntos. In this context, geometry-based descriptions can En este contexto, descripciones basadas en geometría puede

provide a broad set of theories, methods, and tools to efficiently proporcionar un amplio conjunto de teorías, métodos y herramientas para eficientemente

manage the visual information related to shapes. gestionar la información visual relacionada con las formas. Shape and forma y

geometric classic ontologies have been applied to a number of ontologías clásicos geométricas se han aplicado a una serie de

different domains, such as bird classification, diferentes dominios, como la clasificación de aves,

19 19

engineering Ingenieria

processes, procesos,

20,21 20,21

or imaging o formación de imágenes

22 22

and visual reasoning, y el razonamiento visual,

23 23

with limited con limitado

success. éxito. Classical approaches to describe shapes through textual Los enfoques clásicos para describir formas a través textual

descriptions cannot deal efficiently with the graphical, visual descripciones no pueden tratar eficazmente con la gráfica, visual

information that shapes imply, typically losing the geometric la información que da forma a implicar, normalmente perder el geométrica

formality inherent to shapes that could provide quantitative formalidad inherente a las formas que podría proporcionar cuantitativa

measures together with current laboratory instrumentation, medidas, junto con instrumentos de laboratorio actual,

measurement techniques, or computational methods. técnicas de medición, o métodos computacionales.

While conceptual approaches for building taxonomies, Si bien los enfoques conceptuales para la construcción de taxonomías,

ontologies, and classifications have contributed to facilitate the ontologías y las clasificaciones han contribuido a facilitar la

management of morphospatial information, they cannot replace gestión de la información morphospatial, no pueden sustituir

the processing of visual and spatial information. el procesamiento de la información visual y espacial. In such a En semejante

context, we propose an approach to build a taxonomic contexto, se propone un enfoque para construir una taxonomía

classification of nanoparticle and nanomaterial shapes based on clasificación de las nanopartículas y nanomateriales basa en formas

quantitative measures of geometric features following recent medidas cuantitativas de las características geométricas siguientes reciente

developments in shape metrology. la evolución de la metrología forma.

24 24

Our approach bears in mind Nuestro enfoque tiene en cuenta

the future complementarity with other classification efforts. el futuro complementariedad con otros esfuerzos de clasificación.

Finally, the use of computational techniques to examine and Finalmente, el uso de técnicas computacionales para examinar y

extract visual features is frequently used in a wide range of fields. extraer características visuales se utiliza con frecuencia en una amplia gama de campos.

In addition to the visual taxonomy of nanoparticle shapes, we use Además de la taxonomía visual de formas de nanopartículas, utilizamos

an imaging technique developed at the Biomedical Informatics una técnica de imagen desarrollado en los Informática Biomédica

Group laboratory grupo de laboratorio

25 25

: the Shape-Preserving Watershed (SPW); : La Forma-La preservación de cuencas (SPW);

that can recognize shapes in nanoparticle images and facilitate que pueden reconocer formas en imágenes de nanopartículas y facilitar

their automatic annotation and categorization. su anotación automática y categorización.

Methods métodos

Extraction of common nanoparticle shape names Extracción de los nombres de la forma de nanopartículas común

To develop an early version of a visual taxonomy of Para desarrollar una primera versión de una taxonomía visual de

nanoparticle shapes, based on their morphological characteristics, formas de nanopartículas, en base a sus características morfológicas,

wehavebasedourworkonmorphologicaldescriptionsprovidedin wehavebasedourworkonmorphologicaldescriptionsprovidedin

the literature. la literatura. We have preliminarily studied a selection of 35 Hemos estudiado preliminarmente una selección de 35

nanotechnology papers that address topics such as the character- documentos de la nanotecnología que abordan temas como la ca-

izationofnanostructures ordescriptionsofnanocompounds.These izationofnanostructures ordescriptionsofnanocompounds.These

papers wereselected and used to make an initial listing of the terms wereselected papeles y usados para hacer una lista inicial de los términos

used to describe shapes of nanometer sized elements such as se usa para describir las formas de elementos de tamaño nanométrico como

nanoparticles and nanomaterials composites. nanopartículas y nanomateriales compuestos. In these papers, the En estos documentos, el

most commonly used terms in 2D stem from the frequent términos más utilizados en 2D se derivan de la frecuente

description of benzene rings or graphene patterns (hexagon), the Descripción de los anillos de benceno o patrones de grafeno (hexágono), la

recurrent depiction of elliptical compounds and cells (ellipse, representación recurrente de compuestos elípticas y células (elipse,

circle, plate), and the projections of crystals in the form of círculo, placa), y las proyecciones de cristales en la forma de

polygonal shapes (rectangle, square, triangle), to name a few. formas poligonales (rectángulo, cuadrado, triángulo), para nombrar unos pocos. On En

the other hand, the use of 3D shape terms in the literature is more Por otro lado, el uso de términos de la forma 3D en la literatura es más

frequent -the number of appearances is almost four times higher-. frecuentes -el número de apariciones es casi cuatro veces higher-.

The most used terms arise from the classical equilibrium shape of Los términos más utilizados se derivan de la forma clásica de equilibrio

many chemical compounds (sphere), from helical structures, from muchos compuestos químicos (esfera), a partir de estructuras helicoidales,

toroids (rings), from classic arrangements of crystals (cube), and toroides (arandelas), de los arreglos clásicos de cristales (cubo), y

from cylindrical structures (column, wire, rod). a partir de estructuras cilíndricas (columna, alambre, varilla). Further details on Para más detalles sobre

the extraction of the shape terms used to describe nanometer scaled la extracción de los términos de la forma utilizada para describir nanómetros escala

complexes can be seen in the Supplementary Information. los complejos se pueden ver en la información complementaria.

Taxonomic hierarchization of shapes Jerarquización taxonómica de las formas

We have observed that shape terms used by nanotechnologists, Hemos observado que los términos utilizados por la forma en nanotecnología,

in these and other papers, often lack the appropriate geometrical en estos y otros documentos, a menudo carecen de la adecuada geométrica

descriptions to directly create any formal taxonomy. descripciones para crear directamente cualquier taxonomía formal. To address Dirigirse

this issue, we have elaborated a mapping of these terms to formal este problema, hemos elaborado un mapeo de estos términos a lo formal

geometric classes, considering the following: clases geométricas, teniendo en cuenta lo siguiente:

a) 2D and 3D shapes are the two main geometric subclasses a) formas 2D y 3D son las dos principales subclases geométricas

in which shape terms from the literature can be classified; en la que los términos de la forma de la literatura se pueden clasificar;

b) For 2D classes the main subclass is “polygon” due to its b) Para las clases de la subclase 2D principal es "polígono" debido a su

importance for numerous geometric operations and importancia para numerosas operaciones geométricas y

applications. aplicaciones. Depending on the number of sides, other Dependiendo del número de lados, otro

subclasses will emerge (eg, triangle, quadrilateral, subclases surgirán (por ejemplo, triángulo, cuadrilátero,

pentagon…); pentágono…);

c) In 2D shapes, ellipses (and the particular case of the circle) c) En formas 2D, elipses (y el caso particular del círculo)

are important, too, since many shapes of nanoparticles también son importantes, ya que muchas formas de nanopartículas

seem to show a natural elliptical shape; parecen mostrar una forma elíptica y natural;

d) For 3D shape class, the “polyhedron” subclass is the d) En la clase de formas en 3D, la subclase "poliedro" es la

analogous case of 2D polygons. caso análogo de polígonos 2D. Depending on the number Dependiendo del número

and the arrangement of their faces, a large set of y la disposición de sus caras, un gran conjunto de

polyhedrons may be derived; poliedros pueden derivarse; and y

e) The third dimension makes available a broader set of e) La tercera dimensión pone a disposición un conjunto más amplio de

shapes than the one provided by 2D forms. formas que el proporcionado por las formas 2D. Thus, other Por lo tanto, otro

important shapes, such as cones, cylinders, and toroids, formas importantes, tales como conos, cilindros y toroides,

can be considered as subgroups of 3D shapes. puede ser considerado como subgrupos de formas en 3D.

We must note that this mapping implies the annotation of the Hay que señalar que este mapeo implica la anotación de la

synonyms of those less-formal shape terms. sinónimos de los términos de la forma menos formal. Thus, regarding the Por lo tanto, con respecto a la

classic approach, sets of synonyms can be attached to the visual enfoque clásico, conjuntos de sinónimos se puede conectar a la visual

entities of shapes. entidades de formas. For instance, the wire term corresponds to the Por ejemplo, el término alambre se corresponde con el

Cylinder class in our taxonomy, which is represented as the Clase del cilindro en nuestra taxonomía, que se representa como el

surface that joins two parallel coaxial circles. superficie que une dos círculos coaxiales paralelos.

458 458

M. Muñoz-Mármol et al / Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 11 (2015) 457 – 465 M. Muñoz-Mármol y col / Nanomedicina: Nanotecnología, Biología, Medicina y 11 (2015) 457 - 465

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These formal geometric classes can be arranged in a Estas clases geométricas formales pueden estar dispuestos en una

taxonomy using the so-called “is-a” relationship, where the taxonomía usando la llamada "es-a" relación, donde el

visual shape entities that share one or several of their properties entidades forma Visual que comparten una o varias de sus propiedades

can be siblings or parents and children in the final taxonomy. puede ser hermanos o padres e hijos en la taxonomía final.

This assumption makes the following refinement and expansion Este supuesto hace la siguiente refinamiento y expansión

processes to be easier. procesos para ser más sencillo. The selected classes have been chosen Las clases seleccionados han sido elegidos

considering the most general 2D and 3D geometric forms. teniendo en cuenta las formas geométricas más generales en 2D y 3D. Once Una vez

this mapping was done, we refined and expanded the taxonomy esta asignación se hizo, hemos refinado y ampliado la taxonomía

by adding more particular geometric classes according to two mediante la adición de más clases geométricas particulares de acuerdo a dos

main criteria: criterios principales:

a) Since surfaces areas are important in chemistry and a) Dado que las zonas superficies son importantes en la química y la

nanotechnology, nanotecnología,

26 26

subclasses from the more general 2D subclases de la 2D más general

and 3D classes are created only if the subclass represents a y las clases de 3D se crean sólo si la subclase representa una

closed shape ( ie , its surface can be measured). forma cerrada (es decir, su superficie se puede medir). In this En esto

approach, any of the shapes with non-measurable surface enfoque, cualquiera de las formas con la superficie no medible

is ultimately categorized as a general 2D or 3D shape in en última instancia, se clasifican como 2D general o en forma 3D

the taxonomy. la taxonomía.

b) New subclasses are particularizations of more general b) Las nuevas subclases son particularizaciones de más general

classes. clases. Shape subclasses are shapes that share all the Subclases de forma son formas que comparten todas las

properties of their predecessor shape that add or propiedades de su predecesor forma que añaden o

particularize one or more features. particularizar una o más características. For example, a circle Por ejemplo, un círculo

is an ellipse whose focal distance is equal to zero. es una elipse cuya distancia focal es igual a cero.

Finally, the visual taxonomy of shapes of nanoparticles has Por último, la taxonomía visual de formas de nanopartículas tiene

also been expanded with other common canonical shapes not También se amplía con otras formas no canónicas comunes

present in the studied nanotechnology literature. presente en la literatura estudiada nanotecnología. This will Esta voluntad

allow the future identification and classification of them in case permitir la futura identificación y clasificación de ellos en caso

new nanoparticles are developed presenting those common nuevas nanopartículas se desarrollan presentación de los comunes

geometrical shapes. formas geométricas.

Shape-preserving watershed Forma de conservación de las cuencas hidrográficas

Based on previous research carried out at the Biomedical En base a la investigación realizada anteriormente a la Biomédica

Informatics Group laboratory Grupo de Informática de laboratorio

25 25

at Universidad Politécnica de la Universidad Politécnica de

Madrid, we employ the Shape-Preserving Watershed (SPW) Madrid, empleamos la Forma-La preservación de cuencas (SPW)

algorithm, an image processing technique that can be used to algoritmo, una técnica de procesamiento de imágenes que se puede utilizar para

recognize shapes of nanoparticles in microscopy images. reconocer las formas de nanopartículas de imágenes de microscopía. This Esta

algorithm segments a given image into several regions by segmentos de algoritmos una imagen dada en varias regiones por

simulating a flood of catchment basins over the gradient of the simulando una inundación de las cuencas de captación sobre el gradiente de la

image, as in classic watershed techniques. imagen, como en las técnicas clásicas de cuencas.

27–30 27-30

The novelty of La novedad de

the method lies in the way in which some of the catchment basins el método radica en la forma en la que algunas de las cuencas de captación

can grow, preserving an overall shape. puede crecer, preservando una forma global. The concept of El concepto de

“structuring element” used in Beare's locally-constrained "Elemento estructural" que se utiliza en Beare es limitado localmente,

watershed is redefined, as well as the way in which the growth cuenca se redefine, así como la forma en que el crecimiento

of a region is controlled. de una región está controlada. Both the shape-restricted and other Tanto la forma restringida y otra

locally-constrained or unconstrained basins (computed with localmente restringidos o no restringidos cuencas (calculados con

other different watershed techniques) are allowed to grow from otras técnicas de cuencas diferentes) se les permite crecer a partir

their starting locations to segment the image competing against sus lugares de partida para segmentar la imagen compitiendo contra

each other to gain pixels. entre sí para hacerse píxeles. However, depending on the watershed Sin embargo, dependiendo de la cuenca

technique to use in a catchment basin, these calculations are técnica a utilizar en una cuenca de captación, estos cálculos son

performed differently: realizado de forma diferente:

a) For those catchment basins that must preserve a shape a) Para las cuencas de captación que se debe conservar una forma

(SPW regions), the cost is computed by applying a (Regiones SPW), el coste se calcula aplicando una

statistical measurement function over the values of the función de medición estadística en los valores de la

pixels that the region boundary presents at a single step of Los píxeles que el límite de la región presenta en un solo paso de

the execution. La ejecución. Additionally, the shapes of these catchment Adicionalmente, las formas de estas captación

basins are allowed to be rotated and/or slightly translated cuencas se les permite ser girada y / o ligeramente traducida

to better fit in the segmented image regions. para un mejor ajuste en las áreas de imagen segmentados.

b) For locally-constrained catchment basins, the cost is b) Para las cuencas de captación limitados localmente, el costo es

calculated by applying a statistical measurement to the calculado mediante la aplicación de una medida estadística de la

values of pixels surrounding candidate spots (other pixels). los valores de los píxeles vecinos manchas candidatos (otros píxeles).

The number and position of pixels to evaluate in this El número y la posición de los píxeles a evaluar en este

measurement is given by a “structuring element”, as Las mediciones son dadas por un "elemento estructurante", como se

explained in Beare's work. se explica en la obra de Beare.

30 30

c) For unconstrained catchment basins, there is no explicit c) Para las cuencas de captación sin restricciones, no hay explícita

cost computation over any of the surrounding pixels but coste de cálculo sobre cualquiera de los píxeles circundantes, pero

the labelling is performed over the closest unlabeled pixels el etiquetado se lleva a cabo por los píxeles más cercanos no marcados

with lower values in each step. con valores más bajos en cada paso.

The cost computation is performed using a statistical El cálculo de costos se realiza utilizando una estadística

measurement function; función de medición; typically, the mean, the median, or the típicamente, la media, la mediana o la

maximum. máximo.

30 30

This is computed over the pixels at the boundary of Este se calcula sobre los píxeles en el límite de

the growing shape in the SPW, and over the pixels under a given la forma creciente en el SPW, y durante los píxeles bajo un determinado

structuring element in the case of the LCW. elemento estructurante en el caso de la LCW.

This technique requires a small intervention of the user to Esta técnica requiere una pequeña intervención del usuario para

tune the parameters of the watershed segmentations. ajustar los parámetros de las segmentaciones de cuencas. As usual in Como es habitual en

watershed techniques, the gradient of the image has to be técnicas de las cuencas hidrográficas, el gradiente de la imagen tiene que ser

supplied, as well as the starting position of the catchment basins , así como la posición de partida suministrado de las cuencas hidrográficas

(ie, markers, which can be introduced manually or computed (es decir, marcadores, que se pueden introducir manualmente o calculado

using (semi-) automatic methods). (semi) utilizando métodos automáticos). For each of these markers, the Para cada uno de estos marcadores, la

following has to be provided: después tiene que ser proporcionada:

a) For every marker: Type of watershed that will flood the a) Por cada marcador: Tipo de cuencas hidrográficas que inundará la

catchment basin starting from the marked location. cuenca de captación a partir de la ubicación marcada. This Esta

can be a Shape-Preserving, locally constrained, or puede ser un Shape-Preservar, limitada localmente, o

unconstrained watershed. cuenca sin restricciones.

b) For each SPW catchment basin: A shape constraint given b) Para cada cuenca hidrográfica SPW: Una restricción de forma que se dé

in the form of a binary image or a polygon defined by en forma de una imagen binaria o un polígono definido por

Cartesian coordinates. Coordenadas cartesianas. Two other adjustment parameters Otros dos parámetros de ajuste

can be provided to allow the shape preserving region to puede ser proporcionado para permitir que la forma de preservar la región para

adjust better to the boundaries of the image gradient: The ajustarse mejor a los límites del gradiente de la imagen: La

total amplitude of the allowed rotations for the given shape la amplitud total de las rotaciones permitidas para la forma dada

constraint and the amplitude of its rotational steps; restricción y la amplitud de sus pasos de rotación; and the y el

maximum number of pixels that the shape constraint can número máximo de píxeles que la restricción de la forma puede

be displaced from the provided center and the amount of ser desplazado del centro proporcionado y la cantidad de

pixels per translational step. píxeles por paso de traslación.

c) For locally constrained watershed catchment basins: A c) Para las cuencas hidrográficas de cuencas limitadas localmente: Un

structuring element has to be configured to compute the elemento estructurante tiene que ser configurado para calcular la

labelling cost. costo de etiquetado.

Using this technique, we can determine in a separate process Usando esta técnica, se puede determinar en un proceso separado

(see the Supplementary Information for details) what shapes best (véase la información complementaria para más detalles) lo que da forma mejor

fit in a nanoparticle image. caber en una imagen de nanopartículas. This process is performed by Este proceso se realiza por

searching the shapes (from a subset of 2D shapes from the la búsqueda en las formas (de un subconjunto de 2D formas a partir de la

proposed taxonomy) that constrain some shape preserving taxonomía propuesta) que limitan alguna forma de preservar

regions and cover the largest area with respect to a standard regiones y cubren el área más grande con respecto a una norma

(or unconstrained) watershed performed over the same markers. (o no restringida) de cuencas realiza sobre los mismos marcadores.

This method accommodates some of the common issues of Este método tiene capacidad para algunos de los problemas comunes de

microscopy imaging, which also occur with nanoparticle images, de imágenes de microscopía, lo que también ocurre con las imágenes de nanopartículas,

such as the presence of noise. tales como la presencia de ruido.

Results resultados

Taxonomy of shapes of nanoparticles Taxonomía de las formas de nanopartículas

Geometric formality is important for computational applica- Formalidad geométrica es importante para la aplicación computacional

tions. ciones. For example, molecular visualization tools represent the Por ejemplo, las herramientas de visualización molecular representan la

459 459

Page 4 página 4

structural appearance of chemical compounds by using geometric el aspecto estructural de compuestos químicos mediante el uso geométrica

approximations of their atomic arrangements ( ie , the coordinates aproximaciones de sus disposiciones atómicas (es decir, las coordenadas

of their atoms). de sus átomos). Geometry provides the mathematical funda- Geometría proporciona la fundamental matemática

mentals to describe, represent and study shapes; mentals para describir, representar y estudiar formas; particularly, it particularmente, se

defines properties of shapes as well as a precise terminology, define propiedades de las formas, así como una terminología precisa,

which are fundamental for building the proposed visual que son fundamentales para la construcción de la propuesta visual

taxonomy. taxonomía. Euclidean geometry, for instance, establishes a set La geometría euclidiana, por ejemplo, establece un conjunto

of axioms and theorems to study both two-dimensional and de axiomas y teoremas para estudiar tanto en dos dimensiones y

three-dimensional forms. formas tridimensionales. Considering 2D shapes, polygons are Teniendo en cuenta las formas 2D, son polígonos

the main geometric elements (as some authors state, los principales elementos geométricos (como algunos autores afirman,

31 31

they “are son

to planar geometry as integers to numerical mathematics”). a la geometría plana como enteros a las matemáticas numérico ").

Curves can be closed or open such as, for instance, ellipses and Las curvas se pueden cerrados o abiertos, tales como, por ejemplo, elipses y

spirals, respectively. espirales, respectivamente. Polyhedrons are the analogous elements in Poliedros son los elementos análogos en

3D to polygons in planar geometry. 3D a los polígonos en la geometría planar. Other solids such as cones, Otros sólidos tales como conos,

cylinders, ellipsoids, toroids or trees, can also be defined in a 3D cilindros, elipsoides, toroides o árboles, también se pueden definir en un 3D

space. espacio. The introduction of such formal geometric concepts in the La introducción de estos conceptos geométricos formales en el

characterization of nanoparticles shapes is fundamental for their caracterización de formas nanopartículas es fundamental para su

appropriate computational management ( eg , the computation gestión de cálculo apropiado (por ejemplo, el cálculo

of solvent surfaces, the automated analysis of 2D projections superficies del disolvente, el análisis automatizado de proyecciones 2D

and 3D representations of shapes, or the storage of morphological y representaciones 3D de formas, o el almacenamiento de morfológica

data for further analysis, etc.). los datos para su posterior análisis, etc.).

Using this geometrical framework, we set up a taxonomic Utilizando este marco geométrico, hemos creado un taxonómica

hierarchization of nanoparticle shape names found in the jerarquización de los nombres de la forma de nanopartículas encuentra en el

literature (see Tables S1-S3 in the Supporting Information). la literatura (ver cuadros S1-S3 en la información de apoyo).

Given the high variability in the synonyms used to describe Dada la alta variabilidad de los sinónimos utilizados para describir

this morphological feature, we have performed a mapping of esta característica morfológica, hemos realizado un mapeo de

terms to their geometric canonical synonyms, and the cuanto a sus sinónimos canónicas geométricos, y la

rearrangement of the identified visual entities according to reordenamiento de las entidades visuales identificados de acuerdo con

common geometric properties. propiedades geométricas comunes. This has provided a hierarchical Esto ha proporcionado una estructura jerárquica

organization of geometric visual entities (Figures S1 and S2 in organización de las entidades geométricas visuales (figuras S1 y S2 en

the Supporting Information). la información de apoyo). Entities included there show that it Las entidades incluidas allí muestran que

is possible to hierarchize nanoparticles, nanomaterials, and es posible jerarquizar las nanopartículas, nanomateriales, y

nanometer sized compounds according to a visual characteristic tamaño nanométrico compuestos de acuerdo con una característica visual

like the shape. como la forma.

Categorization of shapes of nanoparticles Categorización de formas de nanopartículas

Categorizing nanoparticles has already been addressed from La categorización de las nanopartículas ya ha sido abordado desde

various perspectives -physical, chemical, biological, or even diversas perspectivas -física, química, biológica, o incluso

medical. médico. However, the relegation of morphological or spatial Sin embargo, el descenso de la morfológica o espacial

characteristics to mere descriptions of these categories leads to a características a meras descripciones de estas categorías conduce a una

loss of capability for managing and operating with them. pérdida de la capacidad para gestionar y operar con ellos. Because Porque

of the special nature of these morphospatial characteristics, their de la naturaleza especial de estas características morphospatial, su

properties and relationships are ruled by specific schemas that propiedades y relaciones se rigen por esquemas específicos que

usually lie apart from the ones used for the management of por lo general se encuentran, aparte de las que se utilizan para la gestión de

chemical or physical information. información física o química. To categorize nanoparticle Para categorizar nanopartícula

shapesandtheir“morphospatial”characteristics,weproposeherea shapesandtheir características "morphospatial", weproposeherea

hybrid approach that provides more formal mathematical content, enfoque híbrido que proporciona contenido matemático más formal,

which also facilitates computation of property measures. que también facilita el cálculo de medidas de propiedad.

As a proof of concept, we have extracted a number of Como una prueba de concepto, hemos extraído una serie de

nanoparticles, nanomaterials, and nanometer sized compounds nanopartículas, nanomateriales y compuestos de tamaño nanométrico

from the selected research articles (Table S4 in the Supporting de los artículos de investigación seleccionados (Tabla S4 en la documentación

Information) and classified them (following the authors' Información) y las clasificó (siguiendo los autores

description of their shape). Descripción de su forma). A manual identification of the Una identificación manual de la

nanoparticles and nanometer sized compounds in the studied nanopartículas y los compuestos de tamaño nanométrico en la estudiada

literature according to shape terms in the taxonomy, and their la literatura de acuerdo con los términos de la forma en la taxonomía, y su

synonyms, has resulted in the early classification that is depicted sinónimos, ha dado lugar a la clasificación temprana que se representa

in Figure 1 . en la Figura 1 .

Figure 1. Example of the classification of nanometer scaled elements according to their shapes. Figura 1. Ejemplo de la clasificación de los nanómetros escalar elementos según sus formas. The created taxonomy of shapes has been used to identify and La taxonomía creado de formas se ha utilizado para identificar y

annotate nanoparticles, nanomaterials, and nanometer sized compounds from the studied literature (See Table S4 in the Supporting Information); anotaciones en nanopartículas, nanomateriales y compuestos de tamaño nanométrico de la literatura estudiada (Ver Tabla S4 en la información de apoyo); showing that it mostrando que

is possible to categorize them according to their shapes. es posible clasificarlos de acuerdo a sus formas.

460 460

Page 5 página 5

Recognition of shapes of nanoparticles Reconocimiento de formas de nanopartículas

The categorization of morphospatial characteristics of La categorización de las características de morphospatial

nanoparticles can facilitate the automatic detection and nanopartículas pueden facilitar la detección automática y

recognition of shapes of nanoparticles by using computational reconocimiento de formas de las nanopartículas mediante el uso computacional

techniques applied to microscopy images or other electronic técnicas aplicadas a la microscopía electrónica de imágenes u otro

representations. representaciones. These techniques can then be used for the semi- Estas técnicas se pueden utilizar para la semi-

automatic annotation of nanoparticles and nanomaterials la anotación automática de nanopartículas y nanomateriales

according to their shapes. en función de sus formas. Such annotations, in turn, may be Tales anotaciones, a su vez, pueden ser

further used for the research of, for instance, activity or property más utilizado para la búsqueda de, por ejemplo, actividad o propiedad

relationships, among many other applications. relaciones, entre muchas otras aplicaciones.

We have tested the SPW technique with several nanoparticle Hemos probado la técnica SPW con varios nanopartícula

images. imágenes. We have chosen a set of Transmission Electron Hemos elegido un conjunto de Electrónica de Transmisión

Microscope (TEM) and Scanning Electron Microscope (SEM) Microscopio (TEM) y microscopio electrónico de barrido (SEM)

images of primary particles from different sources. imágenes de partículas primarias de diferentes fuentes.

32–36 32-36

These Estas

images display well-differentiated nanostructures in which the visualización de las imágenes nanoestructuras bien diferenciadas en las que el

SPW technique performs a gradient-flooding-based growing of Técnica SPW realiza un cultivo de gradiente a base de inundación de

shapes. formas. The original images and the recognized shapes are Las imágenes originales y las formas son reconocidos

shown in Figure 2 . se muestra en la Figura 2 .

The set of identifiable shapes for these tests includes a circle, El conjunto de formas identificables para estas pruebas incluye un círculo,

an isosceles triangle, a square, and a pentagon. un triángulo isósceles, un cuadrado y un pentágono. As shown in Como se muestra en

Figure 2 , the largest inscribed shape in each marked nanoparticle Figura 2 , la forma inscrito más grande de cada nanopartícula marcada

part is successfully computed. parte se calcula con éxito. For details on the execution of the Para más detalles sobre la ejecución de la

recognition of shapes in synthetic and real images, see the reconocimiento de formas en imágenes sintéticas y reales, ver el

Supporting Information (Figures S5-S16). La información de apoyo (Figuras S5-S16).

Discussion Discusión

Some other efforts have been made to standardize the Se han hecho algunos otros esfuerzos para estandarizar la

nomenclature, description, and quantitative representations of nomenclatura, descripción y cuantitativos de las representaciones

shapes and sizes of particles. formas y tamaños de partículas. Along with some ISO Technical Junto con algunos ISO Técnica

Committees (ISO TC-24 and TC-229), a remarkable example is Comités (ISO TC-24 y TC-229), un ejemplo notable es

the ISO-9276-6 document, el documento ISO-9276-6,

37 37

where guidance for these shape donde la orientación de éstos forma

and size analyses is specified. y el tamaño de los análisis se especifica. In this work, we provide two En este trabajo, nosotros disponemos de dos

additional considerations: the taxonomic nature of canonical Consideraciones adicionales: la naturaleza taxonómica de canónica

geometric shapes, which lead to the grouping and description of formas geométricas, que conducen a la agrupación y la descripción de

shared morphological properties, and the automation of propiedades morfológicas comunes, y la automatización de

computational recognition of a morphological descriptor reconocimiento de cálculo de un descriptor morfológica

like the shape, which can facilitate the processes involved in como la forma, lo que puede facilitar los procesos implicados en la

particle characterization. caracterización de partículas.

Figure 2. Recognition of shapes in nanoparticle images. Figura 2. El reconocimiento de formas en imágenes de nanopartículas. Original images (numbered with a 1) and the recognized shape using the SPW (numbered with a 2) of Las imágenes originales (numeradas con un 1) y la forma reconocida con el SPW (numerada con un 2) de

different nanoparticles. A – C . diferentes nanopartículas A -. C. TEM images of morphology-modulated ZnO nanostructures. imágenes TEM de las nanoestructuras de ZnO morfología modulada. Reprinted (adapted) with permission from. Reproducido (adaptado) con permiso de.

32 32

American Chemical Society. D . American Chemical Society. D. TEM of negatively stained virus-like particles obtained from functionalized gold nanoparticles (black center, 12 nm diameter) TEM de partículas similares a virus con tinción negativa obtenidos a partir de nanopartículas de oro funcionalizadas (centro negro, 12 nm de diámetro)

and BMV capsid protein. y la proteína de la cápside BMV. Citrate-coated VLP. VLP Citrato-revestido. Reprinted (adapted) with permission from. Reproducido (adaptado) con permiso de.

33 33

Copyright (2006) American Chemical Society. E . Derechos de autor (2006) Sociedad Americana de Química. E. TEM image of 3 imagen TEM de 3

acid-oxidized carbon spheres. ácido-oxida esferas de carbono. Reprinted (adapted) with permission from Reproducido (adaptado) con permiso de

34 34

Copyright (2005) Elsevier. F . Derechos de autor (2005) Elsevier. F. Bright field TEM image of Mo nanoparticles. Imagen TEM de campo claro de nanopartículas de Mo. Reprinted Reproducido

(adapted) with permission from (adaptado) con permiso de

35 35

Copyright (2001) Elsevier. G – H . . Derechos de Autor (2001) Elsevier G - H. SEM images of S-FIL imprinted PEGDA nanoparticles with diverse morphological Imágenes de SEM de S-FIL impresas nanopartículas PEGDA con diversa morfológica

conformations. conformaciones. Reprinted (adapted) with permission from Reproducido (adaptado) con permiso de

36 36

461 461

Page 6 Página 6

The taxonomy presented here is based on simple geometrical La taxonomía que aquí se presenta se basa en la simple geométrica

forms, but natural entities-cells, molecules, nanoparticles, etc . formas, pero las entidades de las células naturales, moléculas, nanopartículas, etc. -rarely -raramente

appear in nature in perfect geometrical structures. aparecerá en la naturaleza en estructuras geométricas perfectas. The los

extracted 2D and 3D canonical shapes are useful to categorize extraídos en 2D y 3D formas canónicas son útiles para categorizar

single entities and primary particles. entidades individuales y partículas primarias. However, there are Sin embargo, hay

numerous complex forms that can be expressed (and numerosas formas complejas que se pueden expresar (y

categorized) as a combination of different basic shapes. categorizado) como una combinación de diferentes formas básicas. An Un

example of such categorizations has been used in the ejemplo de tales categorizaciones se ha utilizado en el

classification of snowflakes, clasificación de los copos de nieve,

38 38

where combinations of basic donde las combinaciones de básica

forms (such as small prisms or polygons) give rise to different formas (tales como pequeños prismas o polígonos) dan lugar a diferentes

conformations depending on certain weather conditions. conformaciones dependiendo de ciertas condiciones meteorológicas. In En

materials science and crystallography, similar problems have ciencia de los materiales y cristalografía, tienen problemas similares

been addressed about the dendritic growth with metals and the sido abordado por el crecimiento dendrítico con los metales y la

conditions under which different forms arise. condiciones en las que surgen diferentes formas.

39,40 39,40

We have Tenemos

presented here an approach to create a basic taxonomy of aquí se presenta un enfoque para crear una taxonomía básica de

nanoparticles, which can facilitate the management of more nanopartículas, lo que puede facilitar la gestión de más

complex forms and shapes of nanoparticles by providing the formas complejas y formas de nanopartículas proporcionando la

base forms they will include. Las formas de base que se va a incluir. For instance, nanoparticles can Por ejemplo, las nanopartículas pueden

be decomposed in various subforms that are also polygons. ser descompuesto en varios subformularios que también son polígonos.

But at a more basic level, the decision to provide for mapping Pero en un nivel más básico, la decisión de proporcionar para la cartografía

among synonyms allows a means of linking information on entre los sinónimos permite un medio para vincular información sobre

nanoparticles obtained by different experimental techniques; nanopartículas obtenidas mediante diferentes técnicas experimentales;

for example, dendrimers at the molecular or atomic scales are por ejemplo, dendrímeros en las escalas moleculares o atómicas son

trees although they may appear to be circles in 2D images. árboles, aunque podrían parecer ser círculos en imágenes 2D.

The presented categorization of shapes should be appli- La categorización presentada de formas debe aplicaciones

cable depending on the nature of the studied nanoparticles cable dependiendo de la naturaleza de las nanopartículas estudiadas

and nanomaterials. y nanomateriales. We must distinguish the shapes found in Hay que distinguir las formas de la

hard and soft nanoparticles. nanopartículas duros y blandos. Soft nanoparticles are usually Nanopartículas blandos son generalmente

made of the composition of organic nanocomponents hecha de la composición de nanocomponentes orgánicos

10 10

such tal

as dendrons/dendrimers, nanolatexes, or polymeric micelles, como dendrones / dendrímeros, nanolatexes, o micelas poliméricas,

to name a few. para nombrar unos pocos. This kind of particles typically present a high Este tipo de partículas generalmente presentan un alto

variability on their morphology that may depend on a variety variabilidad en su morfología que puede depender de una variedad

of factors such as, for instance, the environment in which de factores tales como, por ejemplo, el ambiente en el cual

they are introduced ( eg , blood or other organic fluids) or the que se introducen (por ejemplo, sangre u otros fluidos orgánicos) o la

solvents in which they are presented. disolventes en los que se presentan. The study of these El estudio de estos

components must consider those altering factors and the componentes deben considerar los factores que alteran y el

shape they present at specific moments and conditions of dan forma que presentan en momentos y condiciones específicas de

their existence. su existencia.

On the other hand, hard nanoparticles, normally made with Por otra parte, las nanopartículas de disco duro, normalmente hechos con

inorganic nanocomponents, nanocomponentes inorgánicos,

10 10

usually present highly static mor- suelen estar presentes dad altamente estática

phological features: i .e. , once the nanoparticles and nanomaterials phological características: i .e, una vez que las nanopartículas y nanomateriales.

are produced, their morphological characteristics remain. se producen, sus características morfológicas permanecen. This Esta

makes easier the recognition and categorization of the definitive hace más fácil el reconocimiento y la categorización de la definitiva

shapes of such nanoparticles and nanomaterials. formas de tales nanopartículas y nanomateriales. However, hard Sin embargo, dura

nanoparticles can also be bound to different kinds of ligands for a nanopartículas también se pueden unir a diferentes tipos de ligandos para una

number of reasons. número de razones. For example, in nanomedicine, to target Por ejemplo, en la nanomedicina, para apuntar

specific tissues, cells, processes or cell components, to diminish tejidos específicos, células, procesos o componentes de la célula, para disminuir

immune responses, etc . respuestas inmunes, etc. As stated in other works, Como se ha dicho en otras obras,

41,42 41,42

particle partícula

shape can play a crucial role in interactions with biological forma puede desempeñar un papel crucial en las interacciones con biológica

tissues and cells. tejidos y células. Other morphological components like surface Otros componentes morfológicos como superficie

roughness and faceting are important, too, and are highly related rugosidad y facetas son importantes, también, y son altamente relacionada

with the shape. con la forma. This work still does not consider features on the Este trabajo todavía no tiene en cuenta las características de la

surfaces covered by particle shapes but provides a means of superficies cubiertas por formas de partícula, pero proporciona un medio de

localizing those areas for further studies. la localización de esas áreas para estudios posteriores. Additionally, the SPW Además, el SPW

could be used to extract and study the differences among regular podría ser utilizado para extraer y estudiar las diferencias entre regulares

or canonical shapes and the actual shapes of particles by image o formas canónicas y las formas reales de las partículas de la imagen

analysis, providing information about nanoparticle boundaries El análisis, que proporciona información acerca de los límites de nanopartículas

and surfaces. y superficies.

These differences between the morphology of different types of Estas diferencias entre la morfología de los diferentes tipos de

nanoparticlesandnanomaterials,andthevariabilityonthecoatings nanoparticlesandnanomaterials, andthevariabilityonthecoatings

they present highlight the need for correctly differentiating their que presentan relieve la necesidad de diferenciar correctamente su

shapes and, consequently, categorize them according to a formas y, en consecuencia, categorizan de acuerdo con una

framework like the one presented in this work. marco como el que se presenta en este trabajo. To do so, these Para ello, estos

particles should be studied with different instruments or partículas deben ser estudiados con diferentes instrumentos o

visualization techniques. técnicas de visualización. This is, for those particles whose Esto es, para aquellas partículas cuya

coatings alter their morphology, an approach can be the use of revestimientos alteran su morfología, un enfoque puede ser el uso de

classic electron microscopy devices, such as Transmission dispositivos de microscopía electrónica clásicos, como la transmisión

Electron Microscopy (TEM) or Scanning Electron Microscopy Microscopía Electrónica (TEM) o Microscopía Electrónica de Barrido

(SEM), to study the hard core of particles; (SEM), para estudiar el núcleo duro de las partículas; and use Atomic Force y el uso de fuerza atómica

Microscopy (AFM) or low-energy SEM or TEM to recognize Microscopía (AFM) o de baja energía SEM o TEM para reconocer

and classify the changes in the shape caused by the coatings of y clasificar los cambios en la forma causado por los revestimientos de

these particles. estas partículas.

In addition to adopting a new strategy for categorizing Además de adoptar una nueva estrategia para categorizar

nanoparticles according to their shapes, this approach intro- nanopartículas de acuerdo con sus formas, este enfoque intro-

duces different challenges for research: for instance, the duces diferentes retos para la investigación: por ejemplo, la

difficulty in classifying many nanoparticle forms according dificultad en la clasificación de muchas formas de nanopartículas según

to canonical shapes due to their amorphousness or, contrarily, a formas canónicas debido a su carácter amorfo o, por el contrario,

their polymorphism. su polimorfismo. Additionally, the polydispersity typically Además, la polidispersidad típicamente

present in nanocompounds may lead to a wide range of presente en nanocompuestos pueden conducir a una amplia gama de

nanoparticle types, both for single structures, and for tipos de nanopartículas, tanto para estructuras individuales, y para

aggregated and agglomerated particles. partículas agregadas y aglomerados. Thus, for studying Por lo tanto, para el estudio de

and predicting the associated properties of these compounds y la predicción de las propiedades asociadas de estos compuestos

related to their shapes, it is also needed to quantitatively relacionada con sus formas, sino que también es necesario para cuantitativamente

measure how well those actual nanoparticles and nanomaterials medir qué tan bien esas nanopartículas y nanomateriales reales

approximate ideal shapes. formas ideales aproximados.

The formalization of the mentioned “morphospatial” features La formalización de las características "" que se mencionan morphospatial

of nanoparticles facilitates the development of computational de nanopartículas facilita el desarrollo de computacional

techniques applicable to the research of nanoparticles' properties. técnicas aplicables a la investigación de las propiedades de las nanopartículas.

Regarding image processing, the number of the available En cuanto a procesamiento de imágenes, el número de la disposición

techniques is quite large, and several techniques can be applied técnicas es bastante grande, y varias técnicas se pueden aplicar

to the kind of problems presented here. para el tipo de problemas que aquí se presenta. We aimed to advance El objetivo fue avanzar

this topic by using a segmentation technique based on gradient este tema mediante el uso de una técnica de segmentación basado en gradiente

flooding inundación

25 25

developed at the Biomedical Informatics Group, desarrollado en el Grupo de Informática Biomédica,

the Shape-Preserving Watershed, which is particularly la Forma-La preservación de cuencas, lo cual es particularmente

suitable, according to our results, to recognize nanoparticle adecuada, de acuerdo con nuestros resultados, para reconocer nanopartícula

shapes. formas. This technique can impose constraints on the overall Esta técnica puede imponer limitaciones al general

shape of particle regions. forma de regiones de partículas. Particularly, we have used this En particular, hemos utilizado este

technique to recognize the shapes present in nanoparticle técnica para reconocer las formas presentes en nanopartículas

images (using shapes of the presented visual taxonomy), and imágenes (usando formas de la taxonomía visual presenta), y

facilitate their annotation with shape related information. facilitar su anotación con información relacionada con la forma. This Esta

information can also be used to link the planar (2D) forms información también se puede utilizar para unir las formas planas (2D)

with theoretical/simulated 3D shapes of nanocompounds. con el teórico / simulado formas 3D de nanocompuestos. It Eso

should be pointed out that normal nanoparticles are Debe señalarse que las nanopartículas son normales

volumetric (3D), whereas TEM and SEM images (such as volumétrica (3D), mientras que TEM y SEM imágenes (por ejemplo,

those used in this paper for shape recognition) are 2D. los que se utilizan en este documento para el reconocimiento de formas) son 2D.

Working with 2D images as projections is interesting in its Trabajar con imágenes en 2D como proyecciones es interesante en su

own right, although it should be observed that there is a loss por derecho propio, aunque hay que señalar que hay una pérdida

of information in projections; de la información en las proyecciones; in fact, the shapes that are de hecho, las formas que son

observed in a projection provide limited information about observado en una proyección proporcionar información limitada acerca

the 'real' 3D shapes in certain cases. formas del 3D "real" en ciertos casos. Research should La investigación debe

advance in shape recognition techniques that can be applied avance en técnicas de reconocimiento de forma que se puede aplicar

to 3D data as well. a los datos 3D también. In this regard, it should be mentioned that En este sentido, se debe mencionar que

the SPW technique can be conceptually extended to 3D la técnica de SPW puede ser conceptualmente extenderse a 3D

(using, among other parameters, a 3D gradient and 3D (utilizando, entre otros parámetros, un gradiente 3D y 3D

connectivity) and we are currently planning to follow such conectividad) y actualmente estamos planeando seguir tales

direction in our research. dirección en nuestra investigación.

462 462

Page 7 página 7

The process followed to recognize the shapes present in El proceso seguido para reconocer las formas presentes en

nanoparticles, or some of their parts, is shown in Figure 3 nanopartículas, o alguna de sus partes, se muestra en la Figura 3 . . This Esta

process can be complemented with additional computations that

allow further descriptions of the morphology of nanoparticles and

nanomaterials. For instance, the process also permits the

measurement of the minimum areal deviation of a particle shape

from that of an ideal shape. This could quantify the thickness of

coatings or external layers that cover a nanoparticle. Such Tal

information, from the presented morphospatial approach, could

be used to create other ideal shapes that are found to more closely

approximate certain nanoparticle types and lead to expanded

particle and material ontologies. Similarly, the correlation of data

from studies of their interactions with biological entities and

environments could determine if these deviations from ideal

shapes are related to their properties and effects. However, the sin embargo, el

routine categorization of large sets of representations of nanopar-

ticles is still a challenge since there are not enough accessible

material repositories. Thus, creating a categorization of nanopar-

ticle shapes presents a large number of issues for future

investigations, but also poses challenges for new lines of research.

We suggest that it is possible to extract visual characteristics,

like the shape, to build visual taxonomies and ontologies for

different domains. Particularly, we have presented in this paper a

geometric approach to extract, quantify and represent information

from the literature related to the shapes of nanoparticles. Using this

approach, we have created a prototype visual taxonomy of

nanoparticleshapes. We havealso noticedthatthevocabularyused

in the literature for describing shapes is quite subjective.

Frequently, the same shape is described with different terms by

different people. In addition, some of the words used in these

descriptions can be ambiguous or too general. Additionally, the Además, el

different nomenclatures proposed in ongoing standardization

efforts (TC-24, TC-229, or

37 37

) could be detrimental to a unified

characterization of nanoparticle and nanomaterial morphology.

Thus, a terminology for categorizing nanoparticle shapes has

been proposed as an ongoing issue requiring a collaborative

effort from different disciplines

7 7

to complement and extend

those other previous efforts. In this regard, this work sets a base

for the unification of shape dimensionality with a canonical

geometric assortment.

The primary advantages of the approach and techniques

presented in this paper are to provide a quantitative method to

measure the shape of nanoparticles, their deviation from ideal

shapes,thedistribution ofthoseshapes,andthedistributionof their

deviations, rather than the qualitative designations for shape now

commonly found in the literature. This method can be utilized to

Figure 3. Schematic process followed to recognize 2D shapes in nanoparticle images. A set of 2D shapes from the proposed visual taxonomy of shapes of

nanoparticles are codified and inputted into the SPW algorithm; along with a nanoparticle image and markers on the regions where the shape recognition is

desired to be performed. The SPW floods the selected marked catchment basins with the constraints provided by the given 2D shapes and competes against

background and irrelevant catchment basins flooded with traditional watersheds. The shape recognition process returns the segmented image and the shapes that

best fit into those catchment basins.

463 463

M. Muñoz-Mármol et al / Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 11 (2015) 457 – 465

Page 8 página 8

add new ideal shapes which more closely approximate real

nanoparticle shapes and coatings, providing a capability for

collaboratively building a more complete categorization of shapes

for different nanoparticles, as well as the correlation of shapes and

shape features with their properties and effects for specific

nanoparticle and nanomaterial applications and environments.

To conclude, we have shown an approach to build

taxonomies of nanoparticles that include these quantified