Marianne Liebi, chercheur postdoctoral au sein du groupe Coherent X-ray Scattering au PSI, positionner un petit morceau d'os pour la nano-imagerie tridimensionnelle. Crédit :Institut Paul Scherrer/Markus Fischer
Les os sont constitués de minuscules fibres qui sont environ mille fois plus fines qu'un cheveu humain. Une caractéristique majeure de ces fibrilles dites de collagène est qu'elles sont ordonnées et alignées différemment selon la partie de l'os dans laquelle elles se trouvent. Bien que cet ordre soit décisif pour la stabilité mécanique de l'os, La tomographie par ordinateur (CT) traditionnelle ne peut être utilisée que pour déterminer la densité mais pas l'orientation locale de la nanostructure sous-jacente. Les chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont désormais surmonté cette limitation grâce à un algorithme informatique innovant. Ils ont appliqué la méthode aux mesures d'un morceau d'os obtenu à l'aide de la Swiss Light Source SLS. Leur approche leur a permis de déterminer l'ordre localisé et l'alignement des fibrilles de collagène à l'intérieur de l'os en trois dimensions. A part l'os, la méthode peut être appliquée à une grande variété de spécimens biologiques et de science des matériaux.
Les chercheurs ont publié le résultat de leur étude dans la revue La nature .
L'arrangement de la nanostructure d'un objet tridimensionnel peut désormais être visualisé grâce à une nouvelle méthode développée par des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI. Les chercheurs ont démontré cette nouvelle approche en collaboration avec des experts en biomécanique osseuse de l'ETH Zurich et de l'Université de Southampton, ROYAUME-UNI, à l'aide d'un petit morceau de vertèbre humaine d'environ deux millimètres et demi de long. L'os est constitué de minuscules fibres appelées fibrilles de collagène. Leur ordre et leur alignement tridimensionnels locaux, qui joue un rôle central dans la détermination des propriétés mécaniques d'un os, a maintenant été visualisé le long de tout le morceau d'os. Cette nouvelle approche d'imagerie fournit des informations importantes qui pourraient aider, par exemple, l'étude des maladies osseuses dégénératives telles que l'ostéoporose. En général, la nouvelle méthode convient non seulement à l'examen d'objets biologiques, mais aussi au développement de nouveaux matériaux prometteurs.
Les données ont été obtenues à partir de la source de lumière suisse SLS du PSI, où le morceau d'os a été examiné avec un faisceau de rayons X extrêmement fin et intense. Ce faisceau est balayé à travers l'échantillon, enregistrement des données point par point. L'interaction des rayons X avec l'échantillon fournit des informations sur la nanostructure locale à chaque point de mesure.
L'étape cruciale de la 2D à la 3D
Jusqu'à maintenant, seuls des échantillons bidimensionnels pouvaient être scannés et examinés de cette manière. Traditionnellement, les objets examinés sont ainsi découpés en tranches très fines. Mais tous les objets ne peuvent pas être coupés aussi finement que vous le souhaiteriez, explique le chef de projet Manuel Guizar-Sicairos. Et parfois quand tu le coupes, vous détruisez ou perturbez la nanostructure même que vous vouliez examiner. Assez généralement, une méthode non destructive est préférable, laissant l'objet intact pour des investigations ultérieures.
Afin de pouvoir imager des objets en trois dimensions, les chercheurs du PSI ont scanné leur échantillon à plusieurs reprises, en le tournant d'un petit angle entre chaque balayage. Par ici, ils ont obtenu des données de mesure pour toutes les orientations qui leur ont permis de reconstruire par la suite l'objet tridimensionnel, y compris sa nanostructure, sur l'ordinateur.
Manuel Guizar-Sicairos et Marianne Liebi ont travaillé ensemble pour étudier un morceau d'os et développer l'algorithme complexe pour l'évaluation de leurs données. Crédit :Institut Paul Scherrer/Markus Fischer
La nouvelle méthode de mesure utilisée par les chercheurs du PSI s'appuie sur un principe de base issu de la tomographie par ordinateur (CT). La tomodensitométrie implique également de prendre d'abord de nombreuses images radiographiques d'un patient ou d'un objet sous différents angles, puis de les combiner pour former les images souhaitées au moyen d'un calcul informatique. Cependant, La tomographie par ordinateur traditionnelle n'utilise pas un faisceau de rayons X fin. Au lieu, l'objet est irradié dans son ensemble.
Alors que la tomographie par ordinateur peut représenter la densité variable du matériau, il ne capture pas les détails tels que l'ordre et l'alignement de la nanostructure sous-jacente. Ce dernier ne devient possible que grâce à une mesure précise de l'interaction entre l'échantillon et les rayons X qui est permise par l'étroit, faisceau de rayons X intense du SLS en conjonction avec des détecteurs de pointe.
Des images émergent grâce à des algorithmes mathématiques
L'étape la plus complexe consistait à compiler une image informatique de l'échantillon en trois dimensions à partir de la grande quantité de données. Pour faire ça, les chercheurs ont développé leur propre algorithme mathématique sophistiqué. Le faisceau de rayons X pénètre toujours dans toute la profondeur de l'échantillon et on ne voit que le résultat final, explique Marianne Liebi, auteur principal de l'étude. À quoi ressemble réellement la structure tridimensionnelle, c'est quelque chose que nous devons découvrir par la suite.
Pour chaque point à l'intérieur de l'échantillon, L'algorithme de Liebi recherche la structure qui correspond le mieux à toutes les données mesurées. Dans l'algorithme, les chercheurs ont profité du fait qu'ils pouvaient supposer une certaine symétrie dans l'arrangement des fibrilles de collagène dans l'os, réduisant ainsi leurs données à un niveau gérable. Néanmoins, il restait encore 2,2 millions de paramètres à trouver. Celles-ci ont été optimisées à l'aide d'un programme informatique qui teste de mieux en mieux des solutions jusqu'à ce qu'il en trouve une qui puisse expliquer au mieux toutes les mesures.
J'ai été étonné qu'après tant de mathématiques pures, une image a émergé qui ressemblait vraiment à un os, dit Liebi. Les détails étaient tout de suite plausibles.
L'os et sa nanostructure :Grâce à leur algorithme nouvellement développé, les chercheurs du PSI ont réussi à cartographier l'ordre et l'alignement des minuscules fibrilles de collagène dans tout ce fragment d'os d'environ deux millimètres et demi de longueur. Crédit :Institut Paul Scherrer/Marianne Liebi
Comme une carte des zones de végétation
Alors que la tomographie par ordinateur classique génère des images en niveaux de gris, la nouvelle méthode fournit des images colorées avec beaucoup plus d'informations :les cylindres multicolores montrent l'orientation à l'échelle nanométrique et fournissent même des informations sur le degré d'orientation, qui est élevée si les fibrilles de collagène adjacentes ont toutes la même orientation et faible si elles sont orientées de manière aléatoire.
Nous ne pouvons pas imager chaque fibrille de collagène individuelle directement, mais ce n'est pas nécessaire de toute façon, explique Guizar-Sicairos. Notre technique d'imagerie s'apparente à une carte des zones de végétation. Ici aussi, on fait la moyenne sur certaines zones, déclarant qu'une région est dominée par des conifères, un autre par des arbres à feuilles caduques et encore un autre par des forêts mixtes. De cette façon, il est possible de cartographier la végétation de continents entiers sans avoir à classer chaque arbre.
Par analogie, on peut dire qu'avec les méthodes microscopiques et nanoscopiques traditionnelles, cette représentation d'arbres individuels était nécessaire. C'est pourquoi jusqu'à maintenant, plus la structure d'un objet était petite, plus la section imagée devait également être petite. Leur nouvelle méthode a permis aux chercheurs du PSI de contourner cette limitation :à partir d'un morceau d'os visible à l'œil nu, ils ont enregistré l'arrangement de la nanostructure dans une seule image.
Parallèlement à leur publication, La nature comportera une deuxième publication avec des recherches menées par une autre équipe de chercheurs avec Liebi et Guizar-Sicairos comme co-auteurs. Cette publication présente un algorithme alternatif qui conduit à un résultat similaire :les chercheurs ont pu déterminer la nanostructure interne tridimensionnelle d'une dent humaine.
