Le ossa sono costituite da minuscole fibre che sono circa mille volte più fini di un capello umano. Una delle principali caratteristiche di queste cosiddette fibrille di collagene è che sono ordinate e allineate in modo diverso a seconda della parte dell'osso in cui si trovano. Sebbene questo ordinamento sia decisivo per la stabilità meccanica dell'osso, La tomografia computerizzata tradizionale (TC) può essere utilizzata solo per determinare la densità ma non l'orientamento locale della nanostruttura sottostante. I ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI hanno ora superato questa limitazione grazie a un innovativo algoritmo basato su computer. Hanno applicato il metodo alle misurazioni di un pezzo di osso ottenuto utilizzando la Swiss Light Source SLS. Il loro approccio ha permesso loro di determinare l'ordine localizzato e l'allineamento delle fibrille di collagene all'interno dell'osso in tre dimensioni. A parte l'osso, il metodo può essere applicato a un'ampia varietà di campioni biologici e di scienza dei materiali.

I ricercatori hanno pubblicato il risultato del loro studio sulla rivista Natura .

La disposizione della nanostruttura di un oggetto tridimensionale può ora essere visualizzata grazie a un nuovo metodo sviluppato dai ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI. I ricercatori hanno dimostrato questo nuovo approccio in collaborazione con esperti di biomeccanica ossea dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Southampton, UK, usando un piccolo pezzo di una vertebra umana lungo circa due millimetri e mezzo. L'osso è costituito da minuscole fibre che vengono chiamate fibrille di collagene. Il loro ordine e allineamento tridimensionale locale, che svolge un ruolo centrale nel determinare le proprietà meccaniche di un osso, è stato ora visualizzato lungo l'intero pezzo di osso. Questo nuovo approccio di imaging fornisce importanti informazioni che potrebbero aiutare, Per esempio, lo studio delle malattie ossee degenerative come l'osteoporosi. Generalmente, il nuovo metodo è adatto non solo per esaminare oggetti biologici, ma anche per sviluppare nuovi materiali promettenti.

I dati sono stati ottenuti da Swiss Light Source SLS di PSI, dove il pezzo di osso è stato schermato con un fascio di raggi X estremamente fine e intenso. Questo raggio viene scansionato attraverso il campione, registrare i dati punto per punto. L'interazione dei raggi X con il campione fornisce informazioni sulla nanostruttura locale in ogni punto di misurazione.

Il passaggio cruciale dal 2D al 3D

Fino ad ora, solo i campioni bidimensionali potevano essere scansionati ed esaminati in questo modo. Tradizionalmente, gli oggetti esaminati vengono così tagliati a fettine molto sottili. Ma non tutti gli oggetti possono essere tagliati così sottile come vorresti, spiega il supervisore del progetto Manuel Guizar-Sicairos. E a volte quando lo tagli, distruggi o disturbi la stessa nanostruttura che volevi esaminare. In generale, è preferibile un metodo non distruttivo, lasciando intatto l'oggetto per successive indagini.

Per poter visualizzare oggetti tridimensionali, i ricercatori del PSI hanno scansionato ripetutamente il loro campione, ruotandolo di un piccolo angolo tra ogni scansione. Per di qua, hanno ottenuto dati di misurazione per tutti gli orientamenti che hanno permesso loro di ricostruire successivamente l'oggetto tridimensionale, compresa la sua nanostruttura, sul computer.

Il nuovo metodo di misurazione utilizzato dai ricercatori del PSI si basa su un principio di base della tomografia computerizzata (TC). La TC prevede anche la prima acquisizione di molte immagini radiografiche di un paziente o di un oggetto da diverse angolazioni e quindi la loro combinazione per formare le immagini desiderate mediante un calcolo computerizzato. Però, La tomografia computerizzata tradizionale non utilizza un raggio di raggi X fine. Anziché, l'oggetto è irradiato nel suo insieme.

Mentre la tomografia computerizzata può rappresentare la diversa densità del materiale, non cattura dettagli come l'ordine e l'allineamento della nanostruttura sottostante. Quest'ultimo diventa possibile solo attraverso una misurazione accurata dell'interazione tra campione e raggi X che è consentita dallo stretto, intenso raggio di raggi X dell'SLS in combinazione con rivelatori all'avanguardia.

Le immagini emergono grazie ad algoritmi matematici

Il passo più complesso è stato quello di compilare un'immagine al computer del campione tridimensionale dalla grande quantità di dati. Per fare questo, i ricercatori hanno sviluppato il proprio sofisticato algoritmo matematico. Il fascio di raggi X penetra sempre per tutta la profondità del campione e noi vediamo solo il risultato finale, spiega Marianne Liebi, autore principale dello studio. Che aspetto abbia la struttura tridimensionale in realtà è qualcosa che dobbiamo scoprire in seguito.

Per ogni punto all'interno del campione, L'algoritmo di Liebi ricerca la struttura che meglio corrisponde a tutti i dati misurati. Nell'algoritmo, i ricercatori hanno approfittato del fatto che potevano assumere una certa simmetria nella disposizione delle fibrille di collagene nell'osso, riducendo così i loro dati a un livello gestibile. Tuttavia, restavano ancora 2,2 milioni di parametri da trovare. Questi sono stati ottimizzati utilizzando un programma per computer che verifica soluzioni sempre migliori fino a trovarne una che possa spiegare al meglio tutte le misurazioni.

Ero stupito che dopo tanta matematica pura, emerse un'immagine che sembrava davvero un osso, disse Liebi. I dettagli in esso erano plausibili fin da subito.

Come una mappa delle zone di vegetazione

Mentre la tomografia computerizzata classica genera immagini in scala di grigi, il nuovo metodo fornisce immagini a colori con molte più informazioni:i cilindri multicolori mostrano l'orientamento su scala nanometrica e forniscono anche informazioni sul grado di orientamento, che è alto se le fibrille di collagene adiacenti hanno tutte lo stesso orientamento e basso se sono orientate casualmente.

Non possiamo visualizzare direttamente ogni singola fibrilla di collagene, ma non è comunque necessario, spiega Guizar-Sicairos. La nostra tecnica di imaging è simile a una mappa delle zone di vegetazione. Lì anche, una media su determinate aree, affermando che una regione è dominata da conifere, un altro da alberi decidui e un altro ancora da boschi misti. In questo modo, è possibile mappare la vegetazione di interi continenti senza dover classificare ogni singolo albero.

Per analogia si può dire che con i metodi microscopici e nanoscopici tradizionali questa rappresentazione dei singoli alberi era necessaria. Ecco perché fino ad ora, più piccola era la struttura di un oggetto, più piccola doveva essere anche la sezione dell'immagine. Il loro nuovo metodo ha permesso ai ricercatori del PSI di aggirare questa limitazione:da un pezzo di osso visibile ad occhio nudo, hanno registrato la disposizione della nanostruttura in un'unica immagine.

Contestualmente alla loro pubblicazione, Natura conterrà una seconda pubblicazione con una ricerca guidata da un altro gruppo di ricercatori con Liebi e Guizar-Sicairos come coautori. Quella pubblicazione introduce un algoritmo alternativo che porta a un risultato simile:i ricercatori sono stati in grado di determinare la nanostruttura interna tridimensionale di un dente umano.