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X射线在骨中排除新型纳米斑

17 Jul 2020 IsabelleDumé.
弥补骨样的不同薄片
构成骨骼样品的不同薄片及其纳米结构取向。 (礼貌:C Charnay)

一种新的X射线技术在人骨中揭示了迄今为止未知的结构。使用同步梁梁将3D取向映射纳米晶体和纳米结构在材料中的3D取向的技术,推进了我们对骨骼结构的理解以及与骨骼力学和骨病的理解。根据其开发人员,该方法还可以阐明其他自然和合成结构,其中晶体取向在确定材料的性质方面发挥作用。

骨骼是一种令人印象深刻的天然材料。它既僵硬,能够忍受负荷而不变形,且韧性,这意味着它在弯曲或放置在负载下时不会容易地打破。刚度和韧性在单一材料中很少在一起,并且实际上骨骼从两个主要成分中获得其不寻常的性质:基于蛋白质的胶原纤维,由磷酸钙矿物的磷酸钙矿物的纳米晶体增强。这些构建块出现在各种扭曲的图案中,并将称为薄片的薄层包含在一起,如胶合板。然而,他们合适的精确方式已经证明难以理解,因为他们的组织在每个长度范围内都很复杂。

研究人员 奥胡斯大学 在丹麦, 欧洲同步rotron(ESRF) 在法国, Chalmers University. 在瑞典和 保罗·席克特研究所 在瑞士现在使用X射线散射数据来表明,如前所述,骨的小规模结构不均匀,但含有羟基磷灰石纳米晶体相对于骨纳米结构的取向偏差。 “据我们所知,这是第一次在这种高分辨率下映射了人类层状骨的”扭曲胶合板“模式,” Marianne Liebi.,Chalmers的材料物理学家和研究的联合第一作者。

张解波分析

研究人员专注于一种称为小梁骨的人骨,这是多孔的并且在像股骨一样的长骨头的末端。骨中的孔通过薄杆和骨组织板连接。

在他们的实验中,团队的成员在一束同步辐射束上扫描了40x40x40微米横截面,同时旋转样品围绕其x和y轴。通过组合小角X射线散射和广角X射线散射,它们能够同时探测其生物纳米晶晶格的骨纳米级结构和原子结构。

为了从XY扫描中提取关于骨骼的3D结构的信息,它们使用了一种称为张磁影像的技术,分析往复空间中散射辐射的强度分布(一个假想的空间,其中由互易点表示的平面和所有长度它们在真实空间中的长度的倒数)。例如,如果材料中的晶体不是随机定向的,则X射线散射信号的强度对于某些方向和其他人来说,X射线散射信号的强度将大,对于其他人来说,解释 Henrik Birkedal.,谁在里面 化学系inano. 在奥胡斯。 “这可以比作全球兰德斯的存在,”他说。 “通过用样品取向映射散射信号的变化(对应于在Globe类比中制造地形图),我们可以确定晶体或纳米结构如何以3D定向。”

X-Y扫描的散射强度“投影”显示了取向材料的透明层状结构,与无序区域隔行。根据 蒂尔曼·格鲁瓦尔德,该研究的其他第一作者和一位前ESRF科学家,“这有点过于早期”解释为什么羟基磷灰石纳米晶体的取向有时是混乱的,但数据仍然为后期研究提供了重点。 “基本上,我们的方法提供了一种研究骨质底层结构的新方式,”他说。

同步rotron进步

曼弗雷德伯格默尔,该研究的联合领袖和负责ESRF的科学家 ID13波束线 在进行测量的情况下,说这一新方法是通过当前正在X射线同步调节的“激烈的进展”来实现的。 “我们期望当前的同步升级源的升级将在下几年增加我们的力量,”他补充道。

该团队现在计划利用它们的方法来分析患者患者骨质疏松症和与年龄相关的骨骼结构相关的其他疾病的患者,这可能损害骨骼的机械性能。他们还希望研究除了在这项工作中分析的骨微观结构的类型。

“最后,我们希望了解我们所观察到的纳米结构和晶体之间定位的局部差异的起源,”Birkedal告诉 物理世界。 “这可能需要使用较小的X射线束来提高我们技术的解决方案。”

报告了该技术的完整细节 科学推进.

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