3-D nanostruktur af en knogle gjort synlig

Knogler består af små fibre, der er omkring tusind gange finere end et menneskehår. Et væsentligt træk ved disse såkaldte kollagenfibriller er, at de er ordnet og justeret forskelligt afhængigt af den del af knoglen, de findes i. Selvom denne rækkefølge er afgørende for knoglens mekaniske stabilitet, traditionel computertomografi (CT) kan kun bruges til at bestemme tætheden, men ikke den lokale orientering af den underliggende nanostruktur. Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI har nu overvundet denne begrænsning takket være en innovativ computerbaseret algoritme. De anvendte metoden til målinger af et stykke knogle opnået ved hjælp af Swiss Light Source SLS. Deres tilgang gjorde dem i stand til at bestemme den lokaliserede rækkefølge og justering af kollagenfibrillerne inde i knoglen i tre dimensioner. Bortset fra knogler, metoden kan anvendes på en bred vifte af biologiske og materialevidenskabelige prøver.

Forskerne offentliggjorde resultatet af deres undersøgelse i tidsskriftet Natur .

Arrangementet af nanostrukturen af ​​et tredimensionelt objekt kan nu visualiseres takket være en ny metode udviklet af forskere ved Paul Scherrer Institute PSI. Forskerne demonstrerede denne nye tilgang i samarbejde med knoglebiomekaniske eksperter ved ETH Zürich og University of Southampton, Storbritannien, ved hjælp af et lille stykke af en menneskelig hvirvler, der var cirka to en halv millimeter lang. Knogle består af små fibre, der omtales som kollagenfibriller. Deres lokale tredimensionelle orden og justering, som spiller en central rolle i at bestemme en knogles mekaniske egenskaber, er nu blevet visualiseret langs hele knoglestykket. Denne nye billedbehandlingstilgang giver vigtig information, der kan hjælpe, for eksempel, studiet af degenerative knoglesygdomme såsom osteoporose. Generelt, den nye metode er ikke kun velegnet til at undersøge biologiske objekter, men også til at udvikle lovende nye materialer.

Dataene er hentet fra PSI's Swiss Light Source SLS, hvor knoglestykket blev afskærmet med en ekstrem fin og intens røntgenstråle. Denne stråle scannes hen over prøven, registrering af data punkt for punkt. Røntgenstrålernes interaktion med prøven giver information om den lokale nanostruktur ved hvert målepunkt.

Det afgørende skridt fra 2D til 3D

Indtil nu, kun todimensionelle prøver kunne scannes og undersøges på denne måde. Traditionelt, de undersøgte genstande skæres således i meget tynde skiver. Men ikke alle genstande kan skæres så tyndt, som du ønsker, forklarer projektvejleder Manuel Guizar-Sicairos. Og nogle gange, når du skærer det, du ødelægger eller forstyrrer selve nanostrukturen, som du ville undersøge. Helt generelt, en ikke-destruktiv metode er at foretrække, efterlader genstanden intakt til efterfølgende undersøgelser.

For at kunne afbilde tredimensionelle objekter, PSI-forskerne scannede deres prøve gentagne gange, dreje den med en lille vinkel mellem hver scanning. Denne måde, de opnåede måledata for alle orienteringer, der gjorde det muligt for dem efterfølgende at rekonstruere det tredimensionelle objekt, inklusive dens nanostruktur, på computeren.

Den nye målemetode, som PSI-forskerne benytter, trækker på et grundprincip fra computertomografi (CT). CT involverer også først at tage mange røntgenbilleder af en patient eller genstand fra forskellige vinkler og derefter kombinere dem til de ønskede billeder ved hjælp af en computerberegning. Imidlertid, traditionel computertomografi bruger ikke en fin røntgenstråle. I stedet, genstanden bestråles som helhed.

Mens computertomografi kan afbilde materialets varierende tæthed, den fanger ikke detaljer som rækkefølgen og justeringen af ​​den underliggende nanostruktur. Sidstnævnte bliver kun muligt gennem nøjagtig måling af samspillet mellem prøve og røntgenstråler, som muliggøres af den smalle, intens røntgenstråle fra SLS i forbindelse med avancerede detektorer.

Billeder dukker op takket være matematiske algoritmer

Det mest komplekse trin var at kompilere et computerbillede af den tredimensionelle prøve ud fra den store mængde data. At gøre dette, forskerne udviklede deres egen sofistikerede matematiske algoritme. Røntgenstrålen trænger altid igennem hele prøvens dybde, og vi ser kun slutresultatet, forklarer Marianne Liebi, hovedforfatter af undersøgelsen. Hvordan den tredimensionelle struktur egentlig ser ud er noget, vi skal finde ud af bagefter.

For hvert punkt på indersiden af ​​prøven, Liebis algoritme søger efter den struktur, der bedst svarer til alle de målte data. I algoritmen, forskerne udnyttede det faktum, at de kunne antage en vis symmetri i arrangementet af kollagenfibrillerne i knoglen, dermed reducere deres data til et overskueligt niveau. Alligevel, der var stadig 2,2 millioner parametre tilbage at finde. Disse blev optimeret ved hjælp af et computerprogram, der tester bedre og bedre løsninger, indtil det finder en, der bedst kan forklare alle målinger.

Jeg var forbløffet over, at efter så meget ren matematik, et billede dukkede op, der virkelig lignede en knogle, sagde Liebi. Detaljerne i det var plausible med det samme.

Som et kort over vegetationszonerne

Mens klassisk computertomografi genererer gråtonebilleder, den nye metode giver farvede billeder betydeligt mere information:De flerfarvede cylindre viser orienteringen på nanoskalaen og giver endda information om graden af ​​orienteringen, hvilket er højt, hvis tilstødende kollagenfibriller alle har samme orientering og lavt, hvis de er tilfældigt orienterede.

Vi kan ikke afbilde hver enkelt kollagenfibril direkte, men det er ikke nødvendigt alligevel forklarer Guizar-Sicairos. Vores billedbehandlingsteknik er beslægtet med et kort over vegetationszoner. Også der, man tager gennemsnit over visse områder, angiver, at en region er domineret af nåletræer, en anden ved løvtræer og endnu en ved blandet skov. På denne måde det er muligt at kortlægge hele kontinenters vegetation uden at skulle klassificere hvert enkelt træ.

Analogt kan det siges, at med traditionelle mikroskopiske og nanoskopiske metoder var denne afbildning af individuelle træer nødvendig. Det er derfor indtil nu, jo mindre strukturen af ​​et objekt var, jo mindre skulle den afbildede sektion også være. Deres nye metode gjorde det muligt for PSI-forskerne at omgå denne begrænsning:Fra et stykke knogle synligt for det blotte øje, de registrerede arrangementet af nanostrukturen i et enkelt billede.

Samtidig med deres udgivelse, Natur vil indeholde en anden publikation med forskning ledet af et andet forskerhold med Liebi og Guizar-Sicairos som medforfattere. Denne publikation introducerer en alternativ algoritme, der fører til et lignende resultat:Forskerne var i stand til at bestemme den tredimensionelle interne nanostruktur af en menneskelig tand.