Neues Röntgenverfahren nutzt Streuung zur Darstellung von Nanostrukturen

Details aus dem Inneren eines Zahns

2015-11-19 – Nachrichten aus dem Physik-Department

Zur Erforschung von Materialien und in der Biomedizin ist es wichtig, auch kleinste Nanostrukturen zum Beispiel in Knochen oder Kohlefaserwerkstoffen darzustellen. Ein Team der Technischen Universität München (TUM), der Universität Lund, der Charité Berlin und des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben jetzt ein neues Computertomographieverfahren entwickelt, das nicht die Absorption, sondern die Streuung von Röntgenstrahlen nutzt. Mit dieser Methode können erstmals Nanostrukturen in millimetergroßen Objekten dargestellt werden. Die Forscher machten damit die dreidimensionale Struktur von Kollagenfasern in einem Stück menschlichen Zahn sichtbar.

Darstellung der Orientierung der Kollagenfasern innerhalb einer Zahnprobe. Die Einzeldaten wurden mit Röntgenstreuung-CT aufgenommen und daraus eine dreidimensionale Nanostruktur der Probe berechnet. Bild: Schaff et al. / Nature

Grundsätzlich gibt es die Röntgen-Computertomographie bereits seit mehr als 50 Jahren: ein Objekt wird aus verschiedenen Richtungen mit Röntgenstrahlen durchleuchtet und ein Computer generiert aus diesen Einzelbildern ein dreidimensionales Bild des Objekts. Hierbei führt die unterschiedliche Absorption von Röntgenstrahlen in verschiedenen Materialien zu einem Kontrast. Die neue Methode, die Prof. Franz Pfeiffer, Professor für Biomedizinische Physik am Physik-Department der TUM, und sein Team entwickelt haben, nutzt aber nicht die Absorption der Strahlen, sondern deren Streuung. Die Ergebnisse konnten sie jetzt in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichen.

Streuung liefert detailliertes Bild von Nanostrukturen

Prinzipiell sind Röntgenstrahlen Licht mit einer sehr kurzen Wellenlänge. Damit lässt sich auch die neue Methode erklären: Strahlt man Licht auf eine strukturierte Oberfläche, z.B. auf eine CD, entsteht in Reflexion ein charakteristisches Regenbogenmuster. Obwohl man die feinen Rillen der CD nicht direkt sehen kann, kann man durch die Ablenkung der Lichtstrahlen – auch Beugung genannt – indirekt Informationen über die Beschaffenheit des Objekts erhalten (im Beispiel den Abstand der Rillen).

Der gleiche Effekt kann auch mit Röntgenstrahlung beobachtet werden und das haben die Wissenschaftler für ihre Methode genutzt. Der Vorteil von Röntgenstrahlen gegenüber sichtbaren Lichts, ist die Möglichkeit, Material zu durchdringen und so detaillierte Informationen aus dem Inneren von Objekten zu liefern. Die Forscher haben diese dreidimensionale Streuinformation jetzt mit der Computertomographie (CT) kombiniert.

Das konventionelle Tomographieverfahren errechnet für jeden dreidimensionalen Bildpunkt innerhalb eines Objektes, einem sogenannten Voxel, genau einen Wert. Das neu entwickelte Verfahren erlaubt es, jedem Voxel eine Vielzahl von Werten zuzuordnen, da das Streulicht aus unterschiedlichen Richtungen kommt „Durch diese zusätzliche Information können wir erheblich mehr über die Nanostruktur eines Objektes lernen, als mit herkömmlichen Tomographieverfahren. Über die indirekte Messung der Streuung lassen sich jetzt auch sehr kleine Strukturen darstellen, die vorher zu klein für eine direkte räumliche Auflösung waren“, erklärt Franz Pfeiffer.

Innenansicht eines Zahns

Für Demonstrationszwecke untersuchten die Wissenschaftler ein rund drei Millimeter großes Stück eines menschlichen Zahns. Ein Großteil eines menschlichen Zahns besteht aus dem Stoff Dentin. Er besteht zu einem großen Teil aus mineralisierten Kollagenfasern, deren Struktur hauptverantwortlich für die mechanischen Eigenschaften des Zahns ist. Die Wissenschaftler konnten dieses winzige Fasergeflecht jetzt sichtbar machen.

Insgesamt wurden annähernd 1,4 Millionen Streubilder aufgenommen, bei denen das Streulicht aus unterschiedlichen Richtungen kam. Die einzelnen Streubilder wurden anschließend mit einem eigens entwickelten Algorithmus verarbeitet, um schrittweise eine komplette Rekonstruktion der dreidimensionalen Streuverteilung zu erstellen. „Unser Algorithmus berechnet für jedes Streubild individuell die exakte Richtung der Streuinformation und erstellt danach Gruppen gleicher Streurichtung. Damit lassen sich die aufgenommenen Strukturen rekonstruieren“, sagt Martin Bech, ehemaliger PostDoc der TUM und jetzt Assistenz-Professor an der Universität Lund.

Somit konnte erstmals die dreidimensionale Orientierung der Kollagenfasern innerhalb einer Probe dieser Größe klar dargestellt werden. Die Ergebnisse sind in Einklang mit dem bisherigen, aus dünnen Schnitten gewonnenen Wissen über die untersuchten Strukturen. „Für große Objekte eignet sich nach wie vor ein hochentwickeltes CT-Verfahren besser. Die Darstellung von Strukturen im Nanometerbereich in millimetergroßen Objekten ist aber erst durch unsere neue Methode in dieser Präzision möglich“, erklärt Florian Schaff, Erstautor der Publikation.

Veröffentlichung

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Für die Messungen wurde die Probe um zwei Achsen gedreht und auch in der Position verschoben, damit der Röntegenstrahl die ganze Probe abscannen konnte. Insgesamt wurden fast 1,4 Millionen Streubilder aufgenommen und ausgewertet. Bild: Schaff et al. / Nature