Botten bestaan ​​uit minuscule vezels die ongeveer duizend keer fijner zijn dan een mensenhaar. Een belangrijk kenmerk van deze zogenaamde collageenfibrillen is dat ze verschillend geordend en uitgelijnd zijn, afhankelijk van het deel van het bot waarin ze zich bevinden. Hoewel deze volgorde bepalend is voor de mechanische stabiliteit van het bot, traditionele computertomografie (CT) kan alleen worden gebruikt om de dichtheid te bepalen, maar niet de lokale oriëntatie van de onderliggende nanostructuur. Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI hebben deze beperking nu overwonnen dankzij een innovatief computergebaseerd algoritme. Ze pasten de methode toe op metingen van een stuk bot verkregen met de Swiss Light Source SLS. Hun aanpak stelde hen in staat om de gelokaliseerde volgorde en uitlijning van de collageenfibrillen in het bot in drie dimensies te bepalen. Afgezien van botten, de methode kan worden toegepast op een breed scala aan biologische en materiaalwetenschappelijke exemplaren.

De onderzoekers publiceerden het resultaat van hun onderzoek in het tijdschrift Natuur .

De rangschikking van de nanostructuur van een driedimensionaal object kan nu worden gevisualiseerd dankzij een nieuwe methode die is ontwikkeld door onderzoekers van het Paul Scherrer Institute PSI. De onderzoekers demonstreerden deze nieuwe aanpak in samenwerking met botbiomechanica-experts van ETH Zürich en de Universiteit van Southampton, VK, met behulp van een klein stukje van een menselijke wervel die ongeveer twee en een halve millimeter lang was. Bot bestaat uit kleine vezels die collageenfibrillen worden genoemd. Hun lokale driedimensionale volgorde en uitlijning, die een centrale rol speelt bij het bepalen van de mechanische eigenschappen van een bot, is nu gevisualiseerd langs het hele stuk bot. Deze nieuwe beeldvormingsbenadering biedt belangrijke informatie die kan helpen, bijvoorbeeld, de studie van degeneratieve botziekte zoals osteoporose. In het algemeen, de nieuwe methode is niet alleen geschikt voor het onderzoeken van biologische objecten, maar ook voor het ontwikkelen van kansrijke nieuwe materialen.

De gegevens zijn verkregen van PSI's Swiss Light Source SLS, waar het stuk bot werd gescreend met een uiterst fijne en intense röntgenstraal. Deze bundel wordt over het monster gescand, gegevens punt voor punt opnemen. De interactie van de röntgenstralen met het monster geeft informatie over de lokale nanostructuur op elk meetpunt.

De cruciale stap van 2D naar 3D

Tot nu, alleen tweedimensionale monsters konden op deze manier worden gescand en onderzocht. traditioneel, de onderzochte objecten worden dus in zeer dunne plakjes gesneden. Maar niet elk object kan zo dun worden gesneden als je zou willen, legt projectbegeleider Manuel Guizar-Sicairos uit. En soms als je het doorsnijdt, je vernietigt of verstoort de nanostructuur die je wilde onderzoeken. vrij algemeen, een niet-destructieve methode heeft de voorkeur, het object intact laten voor vervolgonderzoek.

Om driedimensionale objecten in beeld te kunnen brengen, de PSI-onderzoekers scanden hun monster herhaaldelijk, door een kleine hoek tussen elke scan te draaien. Op deze manier, ze verkregen meetgegevens voor alle oriëntaties waarmee ze vervolgens het driedimensionale object konden reconstrueren, inclusief de nanostructuur, op de computer.

De nieuwe meetmethode van de PSI-onderzoekers is gebaseerd op een basisprincipe uit de computertomografie (CT). Bij CT worden ook eerst veel röntgenfoto's van een patiënt of object vanuit verschillende hoeken genomen en vervolgens door middel van een computerberekening gecombineerd tot de gewenste beelden. Echter, traditionele computertomografie maakt geen gebruik van een fijne röntgenstraal. In plaats daarvan, het object wordt als geheel bestraald.

Hoewel computertomografie de variërende dichtheid van het materiaal kan weergeven, het legt geen details vast zoals de volgorde en uitlijning van de onderliggende nanostructuur. Dit laatste wordt alleen mogelijk door nauwkeurige meting van de interactie tussen monster en röntgenstraling die mogelijk wordt gemaakt door de smalle, intense röntgenstraal van de SLS in combinatie met ultramoderne detectoren.

Beelden ontstaan ​​dankzij wiskundige algoritmen

De meest complexe stap was het samenstellen van een computerbeeld van het driedimensionale monster uit de enorme hoeveelheid gegevens. Om dit te doen, de onderzoekers ontwikkelden hun eigen geavanceerde wiskundige algoritme. De röntgenstraal dringt altijd door tot de volledige diepte van het monster en we zien alleen het eindresultaat, legt Marianne Liebi uit, hoofdauteur van de studie. Hoe de driedimensionale structuur er in werkelijkheid uitziet, moeten we naderhand uitvinden.

Voor elk punt aan de binnenkant van het monster, Het algoritme van Liebi zoekt naar de structuur die het beste overeenkomt met alle gemeten gegevens. In het algoritme de onderzoekers maakten gebruik van het feit dat ze een zekere symmetrie konden aannemen in de rangschikking van de collageenfibrillen in het bot, waardoor hun gegevens tot een beheersbaar niveau worden teruggebracht. Hoe dan ook, er waren nog 2,2 miljoen parameters te vinden. Deze zijn geoptimaliseerd met behulp van een computerprogramma dat steeds betere oplossingen test totdat het er een vindt die alle metingen het beste kan verklaren.

Ik was verbaasd dat na zoveel pure wiskunde, er ontstond een beeld dat echt op een bot leek, zei Liebi. De details erin waren meteen aannemelijk.

Zoals een kaart van de vegetatiezones

Terwijl klassieke computertomografie grijswaardenafbeeldingen genereert, de nieuwe methode geeft gekleurde afbeeldingen aanzienlijk meer informatie:de veelkleurige cilinders tonen de oriëntatie op nanoschaal en geven zelfs informatie over de mate van oriëntatie, wat hoog is als aangrenzende collageenfibrillen allemaal dezelfde oriëntatie hebben en laag als ze willekeurig georiënteerd zijn.

We kunnen niet elke individuele collageenvezel direct in beeld brengen, maar dat hoeft toch niet, legt Guizar-Sicairos uit. Onze beeldvormingstechniek is verwant aan een kaart van vegetatiezones. Daar ook, men gemiddelden over bepaalde gebieden, waarin staat dat een regio wordt gedomineerd door naaldbomen, een andere door loofbomen en nog een andere door gemengd bos. Op deze manier, het is mogelijk om de vegetatie van hele continenten in kaart te brengen zonder elke boom afzonderlijk te classificeren.

Naar analogie kan worden gezegd dat met traditionele microscopische en nanoscopische methoden deze afbeelding van individuele bomen noodzakelijk was. Daarom tot nu toe, hoe kleiner de structuur van een object was, des te kleiner moest het afgebeelde gedeelte ook zijn. Met hun nieuwe methode konden de PSI-onderzoekers deze beperking omzeilen:van een met het blote oog zichtbaar stuk bot, ze legden de rangschikking van de nanostructuur vast in één enkel beeld.

Tegelijk met hun publicatie, Natuur zal een tweede publicatie bevatten met onderzoek onder leiding van een ander onderzoeksteam met Liebi en Guizar-Sicairos als co-auteurs. Die publicatie introduceert een alternatief algoritme dat tot een soortgelijk resultaat leidt:de onderzoekers konden de driedimensionale interne nanostructuur van een menselijke tand bepalen.