Ben består av små fibrer som är ungefär tusen gånger finare än ett människohår. En viktig egenskap hos dessa så kallade kollagenfibriller är att de ordnas och justeras olika beroende på vilken del av benet de finns i. Även om denna ordning är avgörande för benets mekaniska stabilitet, traditionell datortomografi (CT) kan endast användas för att bestämma densiteten men inte den lokala orienteringen av den underliggande nanostrukturen. Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI har nu övervunnit denna begränsning tack vare en innovativ datorbaserad algoritm. De tillämpade metoden på mätningar av en benbit som erhölls med hjälp av Swiss Light Source SLS. Deras tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att bestämma den lokaliserade ordningen och inriktningen av kollagenfibrillerna inuti benet i tre dimensioner. Förutom ben, metoden kan tillämpas på en mängd olika biologiska och materialvetenskapliga exemplar.

Forskarna publicerade resultatet av sin studie i tidskriften Natur .

Arrangemanget av nanostrukturen för ett tredimensionellt objekt kan nu visualiseras tack vare en ny metod som utvecklats av forskare vid Paul Scherrer Institute PSI. Forskarna demonstrerade detta nya tillvägagångssätt i samarbete med benbiomekaniska experter vid ETH Zürich och University of Southampton, STORBRITANNIEN, med en liten bit av en mänsklig kotor som var ungefär två och en halv millimeter lång. Ben består av små fibrer som kallas kollagenfibriller. Deras lokala tredimensionella ordning och anpassning, som spelar en central roll för att bestämma ett bens mekaniska egenskaper, har nu visualiserats längs hela benstycket. Denna nya bildmetod ger viktig information som kan hjälpa, till exempel, studien av degenerativ bensjukdom som osteoporos. I allmänhet, den nya metoden lämpar sig inte bara för att undersöka biologiska objekt utan också för att utveckla lovande nya material.

Uppgifterna erhölls från PSI:s Swiss Light Source SLS, där benstycket screenades med en extremt fin och intensiv röntgenstråle. Denna stråle skannas över provet, spela in data punkt för punkt. Röntgenstrålarnas interaktion med provet ger information om den lokala nanostrukturen vid varje mätpunkt.

Det avgörande steget från 2D till 3D

Tills nu, endast tvådimensionella prover kunde skannas och undersökas på detta sätt. Traditionellt, de undersökta föremålen skärs således i mycket tunna skivor. Men inte alla föremål kan skäras så tunt som du vill, förklarar projektledaren Manuel Guizar-Sicairos. Och ibland när du skär det, du förstör eller stör själva nanostrukturen som du ville undersöka. Helt allmänt, en icke-destruktiv metod är att föredra, lämna objektet intakt för efterföljande undersökningar.

För att kunna avbilda tredimensionella objekt, PSI -forskarna skannade sitt prov upprepade gånger, vrider den med en liten vinkel mellan varje genomsökning. Den här vägen, de fick mätdata för alla riktningar som gjorde det möjligt för dem att senare rekonstruera det tredimensionella objektet, inklusive dess nanostruktur, på datorn.

Den nya mätmetoden som används av PSI -forskarna bygger på en grundläggande princip från datortomografi (CT). CT innebär också att först ta många röntgenbilder av en patient eller ett objekt från olika vinklar och sedan kombinera dem för att bilda önskade bilder med hjälp av en datorberäkning. Dock, traditionell datortomografi använder inte en fin röntgenstråle. Istället, objektet bestrålas som en helhet.

Medan datortomografi kan skildra materialets olika densitet, det fångar inte detaljer som ordningen och anpassningen av den underliggande nanostrukturen. Det senare blir endast möjligt genom noggrann mätning av interaktionen mellan prov och röntgenstrålar som möjliggörs av den smala, intensiv röntgenstråle av SLS i kombination med toppmoderna detektorer.

Bilder dyker upp tack vare matematiska algoritmer

Det mest komplexa steget var att sammanställa en datorbild av det tredimensionella urvalet från den stora mängden data. Att göra detta, forskarna utvecklade sin egen sofistikerade matematiska algoritm. Röntgenstrålen penetrerar alltid hela provets djup och vi ser bara slutresultatet, förklarar Marianne Liebi, huvudförfattare till studien. Hur den tredimensionella strukturen faktiskt ser ut är något vi måste ta reda på i efterhand.

För varje punkt på insidan av provet, Liebis algoritm söker efter den struktur som bäst motsvarar all uppmätt data. I algoritmen, forskarna utnyttjade det faktum att de kunde anta en viss symmetri i arrangemanget av kollagenfibrillerna i benet, vilket minskar deras data till en hanterbar nivå. Ändå, det återstod fortfarande 2,2 miljoner parametrar. Dessa optimerades med ett datorprogram som testar bättre och bättre lösningar tills den hittar en som bäst kan förklara alla mätningar.

Jag blev förvånad över att efter så mycket ren matematik, framkom en bild som verkligen såg ut som ett ben, sa Liebi. Detaljerna i den var troliga direkt.

Som en karta över vegetationszonerna

Medan klassisk datortomografi genererar gråskala bilder, den nya metoden ger färgade bilder betydligt mer information:De flerfärgade cylindrarna visar orienteringen på nanoskala och ger till och med information om orienteringsgraden, som är hög om intilliggande kollagenfibriller alla har samma orientering och låga om de är slumpmässigt orienterade.

Vi kan inte avbilda varje enskilt kollagenfibril direkt, men det är inte nödvändigt ändå förklarar Guizar-Sicairos. Vår bildteknik liknar en karta över vegetationszoner. Där med, man är i genomsnitt över vissa områden, som säger att en region domineras av barrträd, en annan av lövträd och ännu en av blandskog. På det här sättet, det är möjligt att kartlägga vegetationen på hela kontinenter utan att behöva klassificera varenda träd.

I analogi kan man säga att med traditionella mikroskopiska och nanoskopiska metoder var denna skildring av enskilda träd nödvändig. Det är därför fram tills nu, ju mindre strukturen för ett objekt var, desto mindre måste den avbildade sektionen också vara. Deras nya metod gjorde det möjligt för PSI -forskarna att kringgå denna begränsning:Från ett benstycke som är synligt för blotta ögat, de spelade in arrangemanget av nanostrukturen i en enda bild.

Samtidigt som de publicerades, Natur kommer att innehålla en andra publikation med forskning som leds av ett annat forskargrupp med Liebi och Guizar-Sicairos som medförfattare. Den publikationen introducerar en alternativ algoritm som leder till ett liknande resultat:Forskarna kunde bestämma den tredimensionella inre nanostrukturen hos en mänsklig tand.