รังสีเอกซ์ค้นพบคุณสมบัตินาโนที่แปลกใหม่ในกระดูก

เทคนิคเอ็กซ์เรย์ใหม่ได้เปิดเผยโครงสร้างที่ไม่รู้จักมาจนบัดนี้ในกระดูกมนุษย์ เทคนิคนี้ใช้ลำแสงซินโครตรอนเพื่อทำแผนที่การวางแนว 3 มิติของผลึกนาโนและโครงสร้างนาโนภายในวัสดุ ช่วยให้เราเข้าใจโครงสร้างกระดูกได้ดีขึ้นและสัมพันธ์กับกลไกของกระดูกและโรคกระดูกอย่างไร ตามที่ผู้พัฒนากล่าว วิธีการนี้ยังช่วยให้กระจ่างเกี่ยวกับโครงสร้างทางธรรมชาติและโครงสร้างสังเคราะห์อื่นๆ 

ซึ่งการวางแนวของคริสตัลมีบทบาทในการกำหนดคุณสมบัติของวัสดุ

กระดูกเป็นวัสดุธรรมชาติที่น่าประทับใจ มีทั้งแบบแข็ง รับน้ำหนักได้โดยไม่เสียรูปมาก และเหนียว หมายถึงไม่แตกหักง่ายเมื่องอหรือวางภายใต้น้ำหนักบรรทุก ความแข็งและความเหนียวมักไม่ค่อยพบอยู่ด้วยกันในวัสดุชิ้นเดียว และแน่นอนว่ากระดูกได้รับคุณสมบัติที่ผิดปกติจากองค์ประกอบหลัก 2 อย่าง ได้แก่ เส้นใยคอลลาเจนจากโปรตีน ซึ่งเสริมด้วยผลึกนาโนของแร่แคลเซียมฟอสเฟตที่เรียกว่าไฮดรอกซีลาพาไทต์ บล็อคตัวต่อเหล่านี้ปรากฏในรูปแบบบิดเกลียวต่างๆ และรวมชั้นบางๆ ที่เรียกว่าแผ่นไม้อัดที่เรียงซ้อนกันเหมือนไม้อัด อย่างไรก็ตาม วิธีที่ถูกต้องแม่นยำในการประกอบเข้าด้วยกันนั้นยากต่อการเข้าใจ เนื่องจากองค์กรของพวกเขามีความซับซ้อนในทุกระดับความยาว

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Aarhusในเดนมาร์กEuropean Synchrotron (ESRF)ในฝรั่งเศสChalmers UniversityในสวีเดนและPaul Scherrer Instituteในสวิตเซอร์แลนด์ได้ใช้ข้อมูลการกระเจิงของรังสีเอกซ์เพื่อแสดงว่าโครงสร้างขนาดเล็กของกระดูกไม่สม่ำเสมอเช่น สันนิษฐานก่อนหน้านี้ แต่มีการเบี่ยงเบนในทิศทางของนาโนคริสตัลไฮดรอกซีลาพาไทต์ในส่วนที่เกี่ยวกับโครงสร้างนาโนของกระดูก Marianne Liebiนักฟิสิกส์ด้านวัสดุจาก Chalmers และผู้ร่วมวิจัยกล่าวว่า “เท่าที่เรารู้ นี่เป็นครั้งแรกที่รูปแบบ ‘ไม้อัดบิด’ ของกระดูกแผ่นไม้อัดของมนุษย์ได้รับการแมปในแบบ 3 มิติด้วยความละเอียดสูงเช่นนี้ผู้เขียนคนแรก

การตรวจเอกซเรย์เทนเซอร์นักวิจัยมุ่งเน้นไปที่

กระดูกมนุษย์ชนิดหนึ่งที่เรียกว่ากระดูก trabecular ซึ่งมีรูพรุนและพบที่ปลายกระดูกยาวเช่นกระดูกโคนขา รูขุมขนในกระดูกเชื่อมต่อกันด้วยแท่งและแผ่นเนื้อเยื่อกระดูกบางๆ ในการทดลอง สมาชิกของทีมสแกนส่วนกระดูก trabecular ขนาด 40x40x40 ไมครอนข้ามลำรังสีซินโครตรอนขณะหมุนตัวอย่างไปรอบๆ แกน x และ y ด้วยการรวมการกระเจิงของรังสีเอกซ์ในมุมเล็กและการกระเจิงของรังสีเอกซ์ในมุมกว้างเข้าด้วยกัน พวกเขาสามารถสำรวจโครงสร้างระดับนาโนของกระดูกและโครงสร้างอะตอมของผลึกคริสตัลไบโอไมเนอรัลของมันได้ในเวลาเดียวกัน

ในการดึงข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้าง 3 มิติของกระดูกจากการสแกน xy ของพวกมัน พวกเขาใช้เทคนิคที่เรียกว่า tensor tomography เพื่อวิเคราะห์การกระจายความเข้มของรังสีที่กระจัดกระจายในพื้นที่ซึ่งกันและกัน ผกผันของความยาวในพื้นที่จริง) ตัวอย่างเช่น หากคริสตัลในวัสดุไม่ได้มีการสุ่มทิศทาง ความเข้มของสัญญาณการกระเจิงของรังสีเอกซ์จะมีขนาดใหญ่สำหรับทิศทางบางส่วนและมีขนาดเล็กสำหรับส่วนอื่นๆHenrik Birkedal หัวหน้าทีมร่วมทีมอธิบาย ซึ่งอยู่ในภาควิชาเคมีและiNANOที่ออฮุส “สิ่งนี้สามารถเปรียบได้กับการมีอยู่ของทวีปบนโลก” เขากล่าว “โดยการทำแผนที่ความแปรผันของสัญญาณกระเจิงด้วยการวางแนวตัวอย่าง (ซึ่งสอดคล้องกับการทำแผนที่ภูมิประเทศในโลกที่คล้ายคลึงกัน) เราสามารถกำหนดได้ว่าผลึกหรือโครงสร้างนาโนถูกจัดวางในรูปแบบ 3 มิติอย่างไร”

“การฉายภาพ” ของความเข้มที่กระจัดกระจายของการสแกน xy เผยให้เห็นโครงสร้างแผ่นลามิเนตที่ชัดเจนของวัสดุที่มุ่งเน้น สอดประสานกับบริเวณที่ไม่เป็นระเบียบ ตามที่Tilman Grunewaldผู้เขียนคนแรกของการศึกษาและอดีตนักวิทยาศาสตร์ ESRF “ยังเร็วเกินไป” ที่จะอธิบายว่าทำไมการวางแนวของนาโนคริสตัลไฮดรอกซีลาพาไทต์บางครั้งไม่เป็นระเบียบ แต่ข้อมูลยังคงให้ความสำคัญกับการวิจัยในภายหลัง “โดยพื้นฐานแล้ว วิธีการของเราเป็นแนวทางใหม่ในการมองเข้าไป

ในโครงสร้างพื้นฐานของกระดูก” ความก้าวหน้า

ของซินโครตรอนManfred Burghammer ผู้นำร่วมของการศึกษาและนักวิทยาศาสตร์ที่รับผิดชอบ ลำแสง ID13ของ ESRF ที่ทำการ วัด กล่าวว่าวิธีการใหม่นี้เกิดขึ้นได้จาก “ความก้าวหน้าอย่างมาก” ที่กำลังเกิดขึ้นใน X-ray synchrotrons “เราคาดหวังว่าการอัพเกรดแหล่งซินโครตรอนในปัจจุบันจะเพิ่มพลังของเราอย่างมากในปีหน้า” เขากล่าวเสริม

ทำลายความลึกลับของสถาปัตยกรรมไมโครกระดูกตอนนี้ทีมวางแผนที่จะใช้วิธีของพวกเขาในการวิเคราะห์วัสดุกระดูกจากผู้ป่วยโรคต่างๆ เช่น โรคกระดูกพรุน และความผิดปกติอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงตามอายุในโครงสร้างกระดูก ซึ่งอาจทำให้คุณสมบัติทางกลของกระดูกลดลง พวกเขายังหวังว่าจะศึกษาประเภทของโครงสร้างจุลภาคของกระดูกนอกเหนือจากที่วิเคราะห์ในงานนี้

“ในที่สุด เราต้องการที่จะเข้าใจที่มาของความแตกต่างที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นในการวางแนวระหว่างโครงสร้างนาโนและคริสตัลที่เราได้สังเกต” Birkedal กล่าวกับPhysics World “สิ่งนี้จะต้องปรับปรุงความละเอียดของเทคนิคของเราโดยใช้ลำแสงเอ็กซ์เรย์ที่มีขนาดเล็กลง”

ในการศึกษาล่าสุดของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ในNature Biotechnologyลัคส์และทีมของเขาไม่ได้คิดค้นเทคนิคใหม่ที่ซับซ้อน แต่พวกเขาใช้ประโยชน์จากโซลูชันที่หรูหราซึ่งมีวิวัฒนาการในธรรมชาติเพื่อ “ลิ้มรส” เนื้อหาที่อยู่ในน้ำ วิธีการนี้ให้การทดสอบในเชิงบวกหรือเชิงลบอย่างตรงไปตรงมาสำหรับสารปนเปื้อนในน้ำที่แตกต่างกันมากถึง 17 ชนิด และใช้งานได้ในเวลาไม่กี่นาที

แนวทางของนักวิจัยคือการใช้เครื่องจักรระดับโมเลกุล (รวมถึง DNA, RNA และโปรตีน) และตั้งโปรแกรมใหม่ตามความต้องการของตนเอง ในกรณีนี้ เครื่องจักรมาจากเซลล์แบคทีเรียและใช้ส่วนประกอบที่ปกติแล้วจะคัดลอกรหัสพันธุกรรมของ DNA ไปอยู่ในรูปแบบผู้ส่งสารเพื่อเปลี่ยนเป็นหน่วยการสร้างของเซลล์ ทีมงานได้ออกแบบเครื่องจักรโมเลกุลเหล่านี้ใหม่เพื่อทำงานนอกเซลล์เพื่อจุดประสงค์ใหม่

Credit : churchsitedirectory.com cialis12superactive.com cialis9superactive.com cialis9superactiveonline.com cnerg.org