Biomedizin: Technologische Innovation bei Röntgenstrahlen

Biologische Materialien gelten als hochkomplexe Konstruktionen der Natur. Knochen etwa verbinden große Härte mit bemerkenswerter Elastizität, sodass sie auch seitlichen Kräften standhalten können. Diese Eigenschaften entstehen durch einen hierarchischen Aufbau, bei dem unterschiedliche Strukturen auf verschiedenen Größenskalen ineinandergreifen. Forschende interessieren sich seit Langem dafür, diese Organisation besser zu verstehen, da sie sowohl für Medizin als auch Technik von Bedeutung ist.

Biologische Materialien und Röntgenstrahlen

Der besondere Aufbau biologischer Materialien ähnelt dem Prinzip technischer Verbundwerkstoffe. So kombiniert etwa Stahlbeton druckfesten Beton mit zugstabilem Stahl. Im Knochen übernehmen mineralische Bestandteile und Kollagen vergleichbare Rollen. Um diese feinen Strukturen sichtbar zu machen, kommen Röntgenstrahlen zum Einsatz, die es erlauben, innere Eigenschaften zu untersuchen, ohne das Material zu zerstören.

Bisher waren für solche Analysen meist mehrere Geräte notwendig. Elektronenmikroskope lieferten Details im Nanometerbereich, während Lichtmikroskope größere Strukturen abbildeten. Forschende am Zentrum für Photonenforschung des Paul Scherrer Instituts haben nun eine bestehende Methode mit Röntgenstrahlen so verbessert, dass unterschiedliche Größenskalen in einem einzigen Messvorgang erfasst werden können.

Schneller messen mit neuen Röntgenstrahlen

Die weiterentwickelte Röntgenbeugungsmethode verkürzt die Messdauer erheblich. Wo früher rund 24 Stunden nötig waren, genügt heute etwa eine Stunde für eine vollständige Aufnahme. Dadurch lassen sich deutlich mehr Proben untersuchen, was insbesondere für statistische Auswertungen in der biomedizinischen Forschung von großer Bedeutung ist und neue Studienansätze ermöglicht.

Um die Leistungsfähigkeit der Technik zu zeigen, nutzten die Forschenden die Synchrotron Lichtquelle Schweiz. Mithilfe der dort erzeugten Röntgenstrahlen wurde die Ausrichtung von Kollagenfasern in einem menschlichen Gehörknöchelchen sichtbar gemacht. Dieses Ergebnis markiert einen wichtigen Schritt von der methodischen Entwicklung hin zur praktischen Anwendung.

Kollagenfasern sind Proteinstrukturen, die dem Knochen Zugfestigkeit und Flexibilität verleihen. Ihre räumliche Orientierung beeinflusst maßgeblich die mechanischen Eigenschaften des Gewebes. Die neuen Messungen erlauben es, diese Ausrichtung dreidimensional darzustellen.

Räumliche Auflösung durch Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlen sind vielen Menschen aus der medizinischen Bildgebung bekannt. Dort erzeugen sie Schattenbilder, indem unterschiedlich stark absorbierte Strahlung registriert wird. An Großforschungsanlagen wie der SLS lassen sich Röntgenstrahlen jedoch auch nutzen, um feinste Kristallstrukturen sichtbar zu machen, indem Interferenzeffekte ausgewertet werden.

Bei dieser Interferenz überlagern sich gestreute Röntgenwellen aus regelmäßig angeordneten Atomschichten. Je nach Weglänge treffen sie mit unterschiedlicher Phase auf den Detektor und verstärken oder löschen sich gegenseitig aus. Aus dem entstehenden Muster lassen sich Struktur und Orientierung der Kristalle präzise berechnen.

Dreidimensionale Berechnung

Um Informationen von der Nano- bis zur Millimeterskala zu gewinnen, entwickelten Forschende am PSI vor rund zehn Jahren die Tensortomografie. Dabei wird die Probe schrittweise um zwei Achsen gedreht und mit einem sehr schmalen Röntgenstrahl abgetastet. In jedem Schritt entsteht ein Interferenzbild, das gespeichert und weiterverarbeitet wird.

Aus Millionen solcher Aufnahmen berechnet ein Computerprogramm ein dreidimensionales Tomogramm der gesamten Probe. Dieser aufwendige Prozess war lange ein limitierender Faktor. Durch Verbesserungen an der Rastertechnik und der Auswertungssoftware konnte die benötigte Zeit nun drastisch reduziert werden, was groß angelegte Untersuchungen erstmals praktikabel macht.

Kollagenstrukturen im Knochen

Für die Erprobung der verbesserten Methode wählten die Forschenden ein besonders kleines, aber funktionell wichtiges Objekt: den Amboss aus dem menschlichen Mittelohr. Dieses wenige Millimeter große Gehörknöchelchen überträgt Schallenergie vom Trommelfell ins Innenohr und ist damit entscheidend für das Hörvermögen.

Ist der Amboss durch Erkrankungen wie chronische Mittelohrentzündungen geschädigt, kann ein teilweiser Ersatz notwendig werden. Für solche Eingriffe ist es hilfreich zu wissen, wie das Innere des Knochens aufgebaut ist. Besonders die Orientierung der Kollagenfasern liefert Hinweise darauf, wie Prothesen optimal angepasst werden könnten.

Neue Röntgenstrahlen bieten enorme Detailtiefe

Die Auswertung der mit Röntgenstrahlen gewonnenen Interferenzmuster zeigte die durchschnittliche Ausrichtung der Kollagenfasern in winzigen Volumenelementen von etwa 20 Mikrometern Kantenlänge. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar besitzt ungefähr den doppelten Durchmesser. Diese Detailtiefe verdeutlicht das Potenzial der Methode.

Mit der geplanten neuen Generation der Synchrotron Lichtquelle soll die Auflösung weiter steigen. Kleinere Strahlquerschnitte und ein höherer Strahlungsfluss werden noch schnellere Messungen erlauben. In Kombination eröffnen diese Fortschritte neue Anwendungsmöglichkeiten der Tensortomografie in der biomedizinischen Forschung und darüber hinaus.