Onderzoekers aan de Universiteit van Texas in Austin hebben een nieuwe en betere werkwijze aangetoond voor het vervaardigen van driedimensionale beelden van structuren in biologisch materiaal onder natuurlijke omstandigheden. De resolutie van deze nieuwe methode is veel hoger dan andere bestaande methoden. De methode kan licht werpen op hoe cellen met elkaar communiceren en bieden belangrijke inzichten voor ingenieurs die kunstmatige organen zoals huid of hartweefsel ontwikkelen. Het onderzoek is beschreven in het tijdschrift Nature Communications.
De wetenschappers, onder leiding van fysicus Ernst-Ludwig Florin, gebruikten hun methode, de zogenaamde thermische ruis beeldvorming, om beelden van netwerken van collageenvezels, op nanometerschaal vast te leggen. Het onderzoeken van collageenvezels op deze schaal gaven de wetenschappers de mogelijkheid om voor het eerst de belangrijkste eigenschappen die de huidelasticiteit aantasten te meten, iets dat zou kunnen leiden tot betere ontwerpen voor kunstmatige huid of weefsels.Brownian Motion
Het nemen van scherpe 3D beelden op nanoschaal in biologische monsters is uiterst moeilijk, mede omdat ze de neiging om zacht en badend in vloeibaar te zijn. Dit betekent dat kleine fluctuaties in warmte er voor zorgen dat structuren heen en weer bewegen, een effect dat bekend staat als de Brownian Motion.Normaal gesproken wordt aan het biologische materiaal chemicaliën toegevoegd, om de onscherpte weg te nemen, maar deze chemicaliën zorgen ook voor het verstijven van het materiaal, waardoor het materiaal zijn natuurlijke mechanische eigenschappen verliest. Ernst-Ludwig Florin en zijn team kozen een andere aanpak. Om een beeld te maken voegden zij ‘Nanospheres’, kralen op nanometergrootte die het licht van de laser reflecteren, toe aan hun monsters onder normale omstandigheden, schenen er vervolgens met een laser in en maakten supersnel snapshots van de nanobolletjes door een lichtmicroscoop.
Lichtgevende stuiterbal
De wetenschappers vergelijken de methode thermal noise imaging met de volgende analogie: “Stel je voor dat je een 3D beeld moet maken van een volledig donkere kamer. Door een oplichtende stuiterbal de kamer in te gooien en met een camera razendsnel foto’s van de bal maakt terwijl hij heen en weer stuitert, dan zie je dat, terwijl de bal in de ruimte beweegt, het niet in staat is door vaste objecten als tafels en stoelen te bewegen. Door deze miljoenen foto’s samen te voegen, dan zou je een foto kunnen creëren waarbij je de objecten ziet (waar de bal niet kwam) en waar leegte is (waar de bal wel kwam). In thermal noise imaging is de nanosphere het equivalent van de rubberen bal dat rond beweegt in een monster met de Brownian Motion.Achterover leunen
“Dit chaotische gewiebel is een last voor de meeste microscopische technieken, want het maakt alles wazig", zegt Florin. "Maar wij hebben het in ons voordeel omgebogen. We hoeven geen ingewikkelde machine te bouwen, we leunen achterover en laat de natuur haar werk voor ons doen.”Wetenschappers weten nog steeds niet hoe de architectuur van een collageennetwerk functioneert met betrekking tot elasticiteit, een belangrijke vraag die beantwoord moet worden voor het ontwerpen van kunstmatige huid. “Als je kunstmatige huid wilt maken, moet je eerst weten hoe de natuurlijke componenten werken”, zo zegt Florin. “Dan kun je een veel beter collageennetwerk ontwerpen dat als een steiger functioneert dat cellen stimuleert op de juiste manier te groeien.”
