全新x射线技术清晰展现纳米结构

如何确定骨骼或碳纤维等材料的纳米结构是材料科学和生物化学研究中极其重要的内容。由慕尼黑工业大学、隆德大学、柏林夏里特医院和保罗谢尔研究所组成的研究小组于近期研发出一种计算机断层摄影技术，该技术利用x射线的散射特性取代吸收特性，使毫米大小物体的纳米结构首次清晰展现，并实现了人类牙齿内部胶原纤维的三维结构的可视化进程。

x射线计算机断层摄影技术早在上世纪六十年代便已出现：研究物质被x射线进行多方位透视，所有透视影像再经电脑生成该物质的三维影像。该技术主要利用不同材料对x射线吸收程度不同的特性。而由慕尼黑工业大学生物医药学教授Franz Pfeiffer和其带领的团队研发出的新技术则放弃利用射线的吸收特性，转而利用射线的散射特性。该研究结果已在专业杂志《自然》上发表。

散射展示纳米结构的更多细节

通常情况下x射线于一般光源一样，波长极短。这一特性解释了新技术的工作原理：一束光如果照射在具有缎纹结构的物体表面（例如一张CD光盘表面），反射光就会呈现出典型的彩虹结构。虽然人们无法用肉眼观察到CD表面的缎纹，但它仍可通过光线的偏转——即散射特性——而 得到清晰展现。

同样效应也可在x射线照射中观察到，并被科学家们利用于新技术中。x射线较于可见光的优势在于，它可以透过材料表面，进入材料内部以获取内部结构的详细信息。研究人员现已将该三维散射信息与计算机断层成像技术（即CT）结合在一起。

常规的断层成像技术对物体内部的每一个三维成像点（即体素）都只赋予一个值。而新研发的技术能够凭借不同方向的散射光，使每个体素包含多个值。“通过这些附加信息，我们能够了解比常规断层成像技术更多的纳米级结构信息。通过对散射光的间接测量，我们能够得到在直接测量中因分辨率过小而无法观察到的微小结构信息。”Franz Pfeiffer教授解释道。

牙齿的内部结构

为了演示效果，科学家们研究了一个约三毫米的人类牙齿。人类牙齿主要由牙本质构成，而牙本质主要由矿物质化的胶原纤维组成，这种胶原纤维的结构决定了牙齿的物理特性。科学家们已令这种极其微小的纤维层可视化。

通过不同角度的散射光照射产生了将近一千四百万张散射光影像。这些影像通过自主研发的算法重组为三维散射结构。慕尼黑工业大学博士后、隆德大学助理教授Martin Bech说：“我们的算法对每张影像散射光的方向都进行精确定位，并将散射光方向相同的各组影像重新组合，以重组整个研究结构。”

胶原纤维的三维结构首次在三毫米的测试范围内清晰展现。研究结果与迄今为止通过较厚断层技术所获的信息一致。“对大体积物质而言高度开发的断层摄像技术依然适用。但是对毫米物体的纳米层面研究所需的精度只有利用我们的技术才能实现。”文章的第一作者Florian Schaff解释道。