Pressemitteilung der TU München vom 22.09.2010

Fortschritt für die Knochen-Forschung:

Ein neuartiges Nano-Tomographieverfahren, das von einem Team aus Forschern der Technischen Universität München (TUM), des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der ETH Zürich entwickelt wurde, erlaubt erstmals computertomographische Untersuchungen feinster Strukturen mit einer Auflösung im Nanometerbereich. Mit Hilfe der neuen Methode können etwa dreidimensionale Innenansichten fragiler Knochenstrukturen erstellt werden. Die ersten mit diesem Verfahren erzielten Nano-CT-Bilder werden am 23. September 2010 in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Die neue Technik kann Lebens- und Materialwissenschaften gleichermaßen voranbringen.

Osteoporose, auch Knochenschwund genannt, ist eine der häufigsten Erkrankungen des alternden Knochens: In Deutschland ist etwa ein Viertel der Bevölkerung über 50 Jahre davon betroffen. Bei den Patienten schrumpft die Knochensubstanz übermäßig rasch, damit steigt das Risiko für Brüche deutlich. In der klinischen Forschung wird Osteoporose bisher fast ausschließlich über die Messung einer allgemein verringerten Knochendichte bestimmt. Diese sagt jedoch wenig über die damit verbundenen und ebenso wichtigen lokalen Struktur- und Knochendichte-Änderungen aus. Franz Pfeiffer, TUM-Professor für Biomedizinische Physik und Leiter des Forscherteams, hat das Dilemma gelöst: „Mit unserem neu entwickelten Nano-CT-Verfahren ist es jetzt möglich, die Struktur- und Dichte-Änderungen des Knochens hochaufgelöst und in 3D darzustellen. Damit kann man die der Osteoporose zugrunde liegenden Strukturänderungen auf der Nanoskala erforschen und bessere Therapieansätze entwickeln.“

Pfeiffers Team hat bei der Entwicklung auf der Röntgen-Computertomographie (CT) aufgebaut. Ihr Prinzip ist seit langem bekannt – CT-Geräte werden im Krankenhaus und in der Arztpraxis tagtäglich zur diagnostischen Durchleuchtung des menschlichen Körpers verwendet. Hierbei wird der Körper mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Ein Detektor misst dabei unter verschiedenen Winkeln, wie viel Röntgenstrahlung jeweils absorbiert wird. Im Prinzip werden einfach Röntgenbilder aus verschiedenen Richtungen aufgenommen. Aus einer Vielzahl solcher Aufnahmen können dann mittels Bildverarbeitung digitale 3D-Bilder des Körperinneren erzeugt werden.

Die neu entwickelte Methode misst nun für jeden Beleuchtungswinkel nicht nur die gesamte vom untersuchten Objekt absorbierte Intensität, sondern auch die Teile des Röntgenstrahls, die in verschiedene Richtungen abgelenkt – in Physikersprache „gestreut“ – werden. Diese erzeugen für jeden Punkt ein Streubild, das zusätzliche Informationen über die genaue Nanostruktur liefert, da die Röntgenstreuung gerade auf allerkleinste Strukturänderungen sensitiv ist. „Da wir dabei sehr viele Einzelbilder extrem präzise aufnehmen und verarbeiten müssen, war bei der Implementierung des neuen Verfahrens die Verwendung hochbrillanter Röntgenstrahlung und schneller, rauscharmer Pixel-Detektoren besonders wichtig – beides steht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) zur Verfügung“, so Oliver Bunk, der an der vom schweizerischen PSI betriebenen Synchrotronlichtquelle den entsprechenden Experimentierplatz mit aufgebaut hat.

Die Streubilder werden anschließend mit einem Algorithmus verarbeitet, der von dem Team entwickelt wurde. TUM-Forscher Martin Dierolf, Erstautor des Nature-Artikels, erklärt: „Wir haben einen Bildrekonstruktionsalgorithmus entwickelt, der aus den über hunderttausend Streubildern ein hochaufgelöstes dreidimensionales Bild der Probe errechnet. Dabei berücksichtigt der Algorithmus nicht nur die klassische Röntgenabsorption, sondern die wesentlich sensitivere Beeinflussung der Phase der Röntgenwellen.“ Exemplarisch wurde mit der neuen Technik die mit 25 Mikrometern härchenfeine Knochenprobe einer Labormaus untersucht – mit überraschend exakten Ergebnissen. Die so genannten Phasenkontrast-CT-Aufnahmen stellen selbst kleinste Dichteunterschiede in der Knochenprobe extrem genau dar: Querschnitte durch Hohlräume, in denen Knochenzellen eingebettet sind, und deren rund 100 Nanometer feines Verbindungsnetzwerk sind gut erkennbar.

„Das neue Nano-CT-Verfahren erreicht zwar nicht die Ortsauflösung, die derzeit in der Elektronenmikroskopie möglich ist, kann aber – aufgrund des hohen Durchdringungsvermögens von Röntgenstrahlung – dreidimensionale Tomographiebilder von Knochenproben liefern“ kommentiert Roger Wepf, Leiter des Elektronenmikroskopiezentrums (EMEZ) an der ETH Zürich. „Darüber hinaus zeichnet sich das neue Nano-CT-Verfahren durch seine hohe Genauigkeit in der Knochendichtebestimmung aus, welche gerade für die Knochenforschung von entscheidender Bedeutung ist.“ Mithilfe des Verfahrens wird man insbesondere die Frühphase der Osteoporose-Erkrankung genauer studieren sowie Behandlungserfolge verschiedener Therapien in klinischen Studien evaluieren können.

Aber die neue Technik ist auch außerhalb der Medizin sehr nützlich: Weitere Anwendungsfelder liegen in der Entwicklung neuer Werkstoffe in den Materialwissenschaften oder in der Charakterisierung von Halbleiterbauelementen. Schließlich lässt sich das Nano-CT-Verfahren auch auf neuartige, laser-basierte Röntgenquellen übertragen, so wie sie derzeit im Rahmen des Exzellenzclusters „Munich-Centre for Advanced Photonics“ (MAP) und am neu bewilligten Großforschungsprojekt „Centre for Advanced Laser Applications“ (CALA) auf dem TUM-Campus Garching bei München entwickelt werden.

Originalpublikation:
Martin Dierolf, Andreas Menzel, Pierre Thibault, Philipp Schneider, Cameron M. Kewish, Roger Wepf, Oliver Bunk, Franz Pfeiffer: “Ptychographic X-Ray Computed Tomography at the Nano-Scale”. Nature, 467, 436-439, 23. September 2010 – DOI: 10.1038/nature09419

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Mediendienst der Universität Stuttgart vom September 2010

Neue Materialien durch künstliche Symmetrien

Manche Symmetrien mag die Natur, andere offenbar nicht. Oft weisen geordnete Festkörper eine sogenannte sechszählige Rotationssymmetrie auf. Dabei umgeben sich die Atome in einer Ebene jeweils mit sechs Nachbarn, wie man dies von Bienenwaben kennt. Geordnete Materialien mit sieben, neun- oder elfzähliger Symmetrie scheinen in der Natur dagegen nicht vorzukommen. Den Grund hierfür haben Forscher der Universität Stuttgart, des Max-Planck-Instituts für Metallforschung und der TU Berlin gefunden, als sie versuchten einer Lage geladener Kolloidteilchen mit starken Laserfeldern eine siebenzählige Symmetrie aufzuzwingen: Für die Entstehung geordneter Strukturen sind demnach Keimzellen erforderlich, die in Symmetrien, die die Natur bevorzugt, besonders häufig auftreten.

Atome in Metallen ordnen sich häufig nach einer sechszähligen Rotationssymmetrie an. Daneben existieren andere, kompliziertere Strukturen, etwa mit fünf-, acht- oder zehnzähliger Rotationssymmetrie. „Bemerkenswert ist, dass Materialien mit sieben-, neun- oder elfzähliger Symmetrie in der Natur noch nie beobachtet wurden“, sagt Clemens Bechinger, Professor an der Universität Stuttgart und Fellow am Max-Planck-Institut für Metallforschung. Wurden solche Materialien bisher einfach übersehen oder hat die Natur etwa eine Abneigung gegen gewisse Symmetrien? Der Physiker Clemens Bechinger ist dieser Frage mit seinen Mitarbeitern nun nachgegangen. Die Antwort könnte unter anderem helfen, Materialien für technische Anwendungen maßzuschneidern. Denn die Eigenschaften eines Materials hängen generell stark von seiner Rotationssymmetrie ab. Graphit und Diamant etwa bestehen beide aus Kohlenstoffatomen und unterscheiden sich ausschließlich in der Kristallsymmetrie.

Um Materialien mit siebenzähliger Symmetrie herzustellen, greifen die Forscher zu einem Trick: Sie erzeugen mit Laserstrahlen ein Lichtmuster mit siebenzähliger Symmetrie. Darin bringen sie eine Lage von Kolloidteilchen ein. Das elektromagnetische Feld des Lichtmusters wirkt auf die Teilchen wie eine Gebirgslandschaft, in der sie sich bevorzugt in die Täler setzen. Die Kolloidteilchen versuchen eine Anordnung mit sechszähliger Symmetrie zu bilden. Indem die Forscher die Intensität der Laser erhöhen, verstärken sie den Zwang auf die Teilchen, eine siebenzählige Symmetrie zu bilden. Auf dieselbe Weise pferchen die Physiker die Teilchen in ein fünfzähliges Lichtgitter und beobachten, dass für das Erzwingen der fünfzähligen Symmetrie viel geringere Laserintensitäten ausreichen.

Als Ausgangspunkte für die entstehenden Symmetrien haben die Forscher blütenförmige Strukturen im Lichtmuster identifiziert, die bei fünfzähliger Symmetrie gut 100 Mal häufiger auftreten als im siebenzähligen Muster. Demnach ist also einfach die Dichte dieser Keimzellen verantwortlich dafür, dass die Natur bestimmte Symmetrien bevorzugt. Das Wissen, wie sich neue Materialien mit unkonventionellen Symmetrien erzeugen lassen, ist nützlich, da sie über interessante Eigenschaften verfügen, wie etwa einen sehr kleinen Reibungswiderstand. In Form von dünnen Beschichtungen könnten solche Materialien beispielsweise die Gleitfähigkeit beweglicher Teile verbessern. Auch photonische Kristalle mit siebenzähliger Symmetrie bieten neue Verwendungsmöglichkeiten, da ihre optischen Eigenschaften weniger stark von der Einfallsrichtung eines Lichtstrahls abhängen.

Externer Link: www.uni-stuttgart.de