Fast Ptychographic Near-Field Computed Tomography

Immagina di cercare di scattare una fotografia 3D perfetta di una creatura minuscola e vivente senza schiacciarla o sfocare l'immagine. Gli scienziati desiderano farlo da tempo per capire come funziona la biologia dall'interno verso l'esterno, ma c'è un problema: la luce di solito attraversa le cose morbide come cellule o tessuti senza lasciare un'ombra. Per risolvere il problema, i ricercatori usano i raggi X, che possono vedere attraverso la materia tenera, ma hanno bisogno di un trucco speciale chiamato "contrasto di fase" per trasformare gli spostamenti invisibili del fascio di raggi X in un'immagine visibile. Pensa a osservare un nuotatore che si muove nell'acqua: non puoi vedere il nuotatore, ma puoi vedere le increspature che lascia dietro di sé. Mappando quelle increspature, puoi capire esattamente dove si trova il nuotatore e che aspetto ha.

Tuttavia, ottenere un'immagine 3D nitida di questi oggetti minuscoli e delicati è incredibilmente lento e difficile. È come cercare di scattare una foto a un colibrì in volo, ma devi fermare l'uccello, scattare una foto, spostarlo leggermente, fermarlo di nuovo, scattare un'altra foto e ripetere tutto questo migliaia di volte. L'uccello si stanca, la fotocamera potrebbe tremare e l'intero processo richiede una vita intera. Questo è lo stato attuale della "pticografia near-field", un metodo di imaging ad alta tecnologia che offre dettagli incredibili ma è spesso troppo lento per un uso pratico, specialmente per campioni biologici fragili che potrebbero seccarsi o danneggiarsi a causa dei raggi X se la scansione dura troppo a lungo.

Questo articolo presenta un modo per velocizzare il processo e rendere molto più facile la preparazione dei campioni. I ricercatori hanno costruito un nuovo sistema di "rotazione continua" (fly-rotation) che permette al campione di ruotare continuamente mentre la fotocamera scatta le immagini, invece di fermarsi e ripartire come un disco rotto. Hanno anche inventato un minuscolo tornio meccanico che può scolpire i campioni biologici in pilastri microscopici perfetti molto più velocemente dei metodi precedenti. Combinando queste due innovazioni, sono riusciti a ridurre drasticamente il tempo necessario per una scansione 3D completa, rendendo possibile vedere l'intricato funzionamento interno di cose come le zanne di elefante e piccoli insetti con una precisione nanometrica, il tutto senza bisogno di una camera a vuoto o di congelare il campione.

Il Problema: La Fotocamera al Rallentatore

Immagina di dover costruire un modello 3D di un oggetto minuscolo e fragile, come un granello di sabbia o un pezzetto di una foglia. Per farlo con i raggi X, devi ruotare l'oggetto e scattare migliaia di foto da ogni angolazione. Nel vecchio metodo (chiamato "rotazione a scatti" o step-rotation), la macchina ruota l'oggetto a un angolo specifico, si ferma completamente, aspetta che si stabilizzi affinché non vibri, scatta un sacco di foto, si ferma di nuovo, ruota di un pochino e ripete il processo.

Questo metodo "stop-and-go" è come cercare di fotografare un'auto da corsa guidando accanto a lei, fermandosi ogni pochi metri per scattare una foto, aspettando che l'auto si fermi e poi ripartendo. Questo spreca una quantità enorme di tempo solo per aspettare che i motori si muovano e si stabilizzino. Per la pticografia near-field, questo tempo di attesa è il principale collo di bottiglia. L'oggetto deve essere scansionato su molte posizioni ad ogni singola angolazione, il che significa che i motori devono continuamente partire e fermarsi. Questo non solo fa sì che la scansione duri ore, ma aumenta anche il rischio che il campione si muova o venga danneggiato dai raggi X durante la lunga attesa.

La Soluzione: Il Trucco della "Rotazione Continua"

I ricercatori si sono posti una domanda semplice: "E se non ci fermassimo?". Hanno introdotto un metodo chiamato "fly-rotation". Invece di fermare il campione ad ogni angolazione, lo fanno ruotare continuamente, come un giradischi, mentre la fotocamera scatta le immagini.

Pensa a prendere un video di una trottola invece di una serie di foto fisse. Nel vecchio metodo, fermeresti la trottola, scatteresti una foto, la faresti ruotare di un pochino, la fermeresti di nuovo e ne scatteresti un'altra. Nel nuovo metodo "fly-rotation", la trottola continua semplicemente a ruotare e la fotocamera cattura l'immagine mentre è in movimento. Poiché il campione non deve mai fermarsi e ripartire, la macchina non spreca tempo ad aspettare che le vibrazioni si esauriscano.

Il team ha testato questo metodo su un pilastro di avorio di elefante (sì, proprio da una zanna!). Hanno confrontato la vecchia scansione "stop-and-go" con la nuova scansione "fly-rotation". I risultati sono stati impressionanti:

• Vecchio modo: La scansione è durata 6 ore e 4 minuti.
• Nuovo modo: La scansione è durata 3 ore e 41 minuti.

Ancemente, quando hanno perfezionato le impostazioni per essere ancora più veloci (scattando meno foto ed esponendo il campione per meno tempo), sono riusciti a completare una scansione completa in soli 72 minuti. Il tempo "perso" solo per muovere i motori (l'overhead) è sceso da oltre 3 ore a soli 18 minuti. Si tratta di una riduzione dell'overhead di 11 volte! Le immagini ottenute erano chiare quanto quelle lente, mostrando i piccoli tubi all'interno dell'avorio con una risoluzione di circa 271 nanometri (che è approssimativamente la larghezza di un virus).

L'Altro Problema: Tagliare la Torta

Prima di poter scattare queste foto, bisogna preparare il campione. I campioni biologici sono spesso troppo grandi e morbidi per entrare nel fascio di raggi X. Devono essere scolpiti in piccoli pilastri, solitamente larghi meno di 50 micrometri (quindi più sottili di un capello umano).

Tradizionalmente, gli scienziati usavano una macchina chiamata Fascio Ionico Focalizzato (FIB) per tagliare questi campioni. È come usare un laser super preciso per scolpire una statua da un blocco di ghiaccio. Ma per cose morbide e umide come piante o animali, questo laser è troppo lento e può bruciare o seccare il campione. Può richiedere fino a 48 ore per scolpire un singolo piccolo pilastro, ed è molto facile rompere il campione durante il processo.

Per risolvere il problema, il team ha costruito una "macchina di fresatura del campione". Immagina un minuscolo tornio meccanico ad alta velocità, ma invece del legno, sta scolpendo un pezzo di un pesce zebra o una foglia di muschio. La macchina tiene il campione su un mandrino rotante e lo taglia con un piccolo strumento affilato posto su un altro. Poiché si tratta di un taglio meccanico e non di un laser, è molto più veloce e delicato sui materiali morbidi.

Hanno testato questa macchina su un'ampia varietà di materiali:

• Un pezzo di salsiccia (essiccata per essere soda).
• Una sezione di pesce zebra (immersa in cera).
• Un campione di muschio (immerso nella plastica).
• Uno stuzzicadenti di legno.
• Avorio di elefante.

La macchina ha scolpito con successo pilastri da tutti questi materiali, con diametri piccoli come 20 micrometri per l'acciaio e 35 micrometri per il legno. È veloce, affidabile e non richiede che il campione sia congelato o inserito in un vuoto. Ciò significa che gli scienziati possono preparare i campioni in minuti invece che in giorni, aprendo la porta allo studio di molti più esemplari biologici.

Il Quadro Generale

Combinando il trucco della scansione "fly-rotation" con la nuova macchina di taglio meccanico, i ricercatori hanno creato un sistema che è più veloce, più facile da usare e più flessibile di qualsiasi altra cosa attualmente disponibile. Non hanno solo reso la scansione più veloce; hanno reso l'intero processo di ottenimento di un'immagine 3D di un piccolo campione biologico molto più accessibile.

Il team ha anche notato che la loro configurazione è molto flessibile. Possono regolare la distanza tra il campione e il rilevatore per cambiare l'ingrandimento, permettendo loro di osservare oggetti di diverse dimensioni. Hanno persino utilizzato una speciale piastra di diamante con minuscole protuberanze incise al laser per aiutare i raggi X a creare immagini migliori. Questa piastra di diamante è più stabile della carta vetrata che usavano in precedenza, la quale tendeva a spostarsi e rovinare l'immagine durante le lunghe scansioni.

In definitiva, questo lavoro suggerisce che possiamo ora eseguire l'imaging 3D ad alta qualità con raggi X di sistemi biologici complessi in una frazione del tempo che ci era necessario in precedenza. Sebbene l'articolo non sostenga che si tratti di una cura magica per tutti i problemi di imaging, dimostra che semplicemente cambiando il modo in cui muoviamo il campione e come lo prepariamo, possiamo abbattere le barriere di velocità che hanno frenato questa tecnologia per così tanto tempo. Il risultato è uno strumento che può aiutare gli scienziati a vedere il mondo 3D nascosto della biologia con una chiarezza e una velocità senza precedenti.