Os ossos são feitos de fibras minúsculas que são cerca de mil vezes mais finas do que um fio de cabelo humano. Uma das principais características dessas chamadas fibrilas de colágeno é que elas são ordenadas e alinhadas de maneira diferente dependendo da parte do osso em que se encontram. Embora essa ordem seja decisiva para a estabilidade mecânica do osso, a tomografia computadorizada (TC) tradicional só pode ser usada para determinar a densidade, mas não a orientação local da nanoestrutura subjacente. Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI superaram essa limitação graças a um algoritmo inovador baseado em computador. Eles aplicaram o método a medições de um pedaço de osso obtido usando o Swiss Light Source SLS. Sua abordagem permitiu determinar a ordem localizada e o alinhamento das fibrilas de colágeno dentro do osso em três dimensões. Além do osso, o método pode ser aplicado a uma ampla variedade de espécimes da ciência biológica e de materiais.

Os pesquisadores publicaram o resultado de seu estudo na revista. Natureza .

O arranjo da nanoestrutura de um objeto tridimensional agora pode ser visualizado graças a um novo método desenvolvido por pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI. Os pesquisadores demonstraram esta nova abordagem em colaboração com especialistas em biomecânica óssea da ETH Zurich e da Universidade de Southampton, REINO UNIDO, usando um pequeno pedaço de uma vértebra humana que tinha cerca de dois milímetros e meio de comprimento. O osso consiste em pequenas fibras conhecidas como fibrilas de colágeno. Sua ordem tridimensional local e alinhamento, que desempenha um papel central na determinação das propriedades mecânicas de um osso, agora foi visualizado ao longo de todo o pedaço de osso. Esta nova abordagem de imagem fornece informações importantes que podem ajudar, por exemplo, o estudo de doenças ósseas degenerativas, como a osteoporose. Em geral, o novo método é adequado não apenas para examinar objetos biológicos, mas também para desenvolver novos materiais promissores.

Os dados foram obtidos da Swiss Light Source SLS da PSI, onde o pedaço de osso foi filtrado com um feixe de raios-X extremamente fino e intenso. Este feixe é varrido através da amostra, registro de dados ponto a ponto. A interação dos raios-X com a amostra fornece informações sobre a nanoestrutura local em cada ponto de medição.

A etapa crucial de 2D para 3D

Até agora, apenas amostras bidimensionais poderiam ser escaneadas e examinadas dessa maneira. Tradicionalmente, os objetos examinados são, portanto, cortados em fatias muito finas. Mas nem todo objeto pode ser cortado tão fino quanto você gostaria, explica o supervisor do projeto Manuel Guizar-Sicairos. E às vezes quando você corta, você destrói ou perturba a própria nanoestrutura que você queria examinar. Geralmente, um método não destrutivo é preferível, deixando o objeto intacto para investigações subsequentes.

A fim de ser capaz de criar imagens de objetos tridimensionais, os pesquisadores PSI escanearam sua amostra repetidamente, girando-o por um pequeno ângulo entre cada varredura. Por aqui, eles obtiveram dados de medição para todas as orientações que lhes permitiram reconstruir posteriormente o objeto tridimensional, incluindo sua nanoestrutura, no computador.

O novo método de medição usado pelos pesquisadores PSI baseia-se em um princípio básico da tomografia computadorizada (TC). A TC também envolve primeiro a obtenção de muitas imagens de raios-X de um paciente ou objeto de diferentes ângulos e, em seguida, combiná-las para formar as imagens desejadas por meio de um cálculo de computador. Contudo, a tomografia computadorizada tradicional não usa um feixe de raios-X fino. Em vez de, o objeto é irradiado como um todo.

Embora a tomografia computadorizada possa representar a densidade variável do material, ele não captura detalhes como a ordem e o alinhamento da nanoestrutura subjacente. Este último só se torna possível através da medição precisa da interação entre a amostra e os raios-X, que é possibilitada pelo estreito, intenso feixe de raios-X do SLS em conjunto com detectores de última geração.

Imagens emergem graças a algoritmos matemáticos

A etapa mais complexa foi compilar uma imagem de computador da amostra tridimensional a partir da vasta quantidade de dados. Para fazer isso, os pesquisadores desenvolveram seu próprio algoritmo matemático sofisticado. O feixe de raios-X sempre penetra toda a profundidade da amostra e vemos apenas o resultado final, explica Marianne Liebi, autor principal do estudo. Qual a aparência real da estrutura tridimensional é algo que temos que descobrir depois.

Para cada ponto no interior da amostra, O algoritmo de Liebi busca a estrutura que melhor corresponde a todos os dados medidos. No algoritmo, os pesquisadores aproveitaram o fato de poderem assumir uma certa simetria na disposição das fibrilas de colágeno no osso, reduzindo assim seus dados a um nível gerenciável. No entanto, ainda restavam 2,2 milhões de parâmetros a serem encontrados. Eles foram otimizados usando um programa de computador que testa soluções cada vez melhores até encontrar uma que possa explicar melhor todas as medições.

Fiquei surpreso que depois de tanta matemática pura, surgiu uma imagem que realmente parecia um osso, disse Liebi. Os detalhes eram plausíveis de imediato.

Como um mapa das zonas de vegetação

Enquanto a tomografia computadorizada clássica gera imagens em escala de cinza, o novo método fornece imagens coloridas com consideravelmente mais informações:os cilindros multicoloridos mostram a orientação em nanoescala e ainda fornecem informações sobre o grau de orientação, que é alto se todas as fibrilas de colágeno adjacentes tiverem a mesma orientação e baixo se forem orientadas aleatoriamente.

Não podemos obter imagens de cada fibrila de colágeno individual diretamente, mas isso não é necessário de qualquer maneira, explica Guizar-Sicairos. Nossa técnica de imagem é semelhante a um mapa de zonas de vegetação. Ali também, um calcula a média sobre certas áreas, afirmando que uma região é dominada por árvores coníferas, outro por árvores decíduas e ainda outro por bosques mistos. Desta maneira, é possível mapear a vegetação de continentes inteiros sem ter que classificar todas as árvores.

Por analogia, pode-se dizer que, com os métodos microscópicos e nanoscópicos tradicionais, essa representação de árvores individuais era necessária. É por isso que até agora, quanto menor a estrutura de um objeto, menor também deve ser a seção da imagem. Seu novo método permitiu aos pesquisadores do PSI contornar essa limitação:a partir de um pedaço de osso visível a olho nu, eles gravaram o arranjo da nanoestrutura em uma única imagem.

Ao mesmo tempo que sua publicação, Natureza contará com uma segunda publicação com pesquisa liderada por outra equipe de pesquisadores com Liebi e Guizar-Sicairos como co-autores. Essa publicação apresenta um algoritmo alternativo que leva a um resultado semelhante:os pesquisadores foram capazes de determinar a nanoestrutura interna tridimensional de um dente humano.