Esplorare la stabilità delle ossa con un dettaglio nanometrico

Quando una persona si frattura l’anca a seguito di una caduta, molto spesso l'area colpita è il collo del femore, ovvero la sezione sottile dell’osso posta immediatamente sotto la testa del femore, cioè sotto l’articolazione dell’anca. Questo evento accade spesso nella terza età, quando l’osso ha perso densità. Nella maggior parte dei casi il collo del femore subisce fratture sottocapitate, cioè nella porzione superiore, subito sotto la testa del femore, dove l’osso è in genere marcatamente più poroso rispetto alla parte inferiore del collo.

Tuttavia, questa correlazione non sussiste sempre: talvolta il collo del femore subisce una frattura, pur non essendo poroso. I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI hanno ora scoperto, grazie a speciali analisi radiografiche eseguite con l’ausilio della Sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS, presso l’Istituto Paul Scherrer PSI, e a misurazioni effettuate presso il sincrotrone svedese MAX IV, quale potrebbe essere la causa che favorisce tali fratture: una nanostruttura dell’osso modificata.

Una nuova tecnica radiografica offre precisi approfondimenti

Il team, sotto la guida della responsabile del progetto Marianne Liebi, scienziata presso il Centro per la scienza dei fotoni dell'Istituto Paul Scherrer PSI, ha esaminato due campioni ossei provenienti da 78 diversi colli del femore, utilizzando una nuova tecnica di imaging. A tal riguardo, ciascun campione proveniva rispettivamente dalla parte superiore e da quella inferiore dello stesso collo del femore. Il team ha ricevuto i campioni dall'Università di Berna, i cui esperti hanno partecipato alla valutazione nel quadro di un progetto di ricerca congiunto. La tecnica si chiama «Small-angle X-ray scattering tensor tomography», nota con la sigla SAXS-TT. Questa tecnica combina l’analisi dei cosiddetti segnali di diffusione a basso angolo di una radiografia ad alta risoluzione con una tomografia 3D, ovvero l’acquisizione da diverse angolazioni. Questo metodo è stato sviluppato presso l'Istituto Paul Scherrer PSI negli ultimi dieci anni abbondanti ed è stato testato per l’analisi di diversi materiali, tra i quali il tessuto osseo.

La disposizione delle fibre di collagene diventa visibile

L’analisi dei campioni dei 78 diversi colli del femore ha mostrato che, oltre alla minore densità ossea nella parte superiore del collo del femore, si evidenzia un altro fattore: le fibre di collagene, che costituiscono il tessuto osseo e sono mille volte più sottili dei capelli, in quella sezione del collo del femore presentano un andamento diverso rispetto alla parte inferiore del collo stesso. Mentre nella parte inferiore sono disposte ordinatamente in parallelo, in modo da poter assorbire efficacemente le forze che agiscono sul collo del femore, nella parte superiore risultano essere più disordinate, presentando un andamento obliquo o addirittura incrociato. Questo rende tali fibre di collagene meno flessibili. «A ciò si aggiunge», afferma il primo autore dello studio Torne Tänzer, che lavora come dottorando nel gruppo di ricerca guidato dalla Liebi, «il fatto che le placche minerali in quella sezione del collo del femore siano disposte in modo meno regolare e abbiano una forma diversa.» Le placche minerali di un osso sono minuscole lamelle di fosfato di calcio, che si trovano tra le fibre di collagene e hanno il compito di stabilizzarle.

La disposizione delle fibre e delle placche, questa è l'ipotesi, potrebbe esercitare un influsso sulla stabilità delle ossa. «Questa tesi», afferma Tänzer, «intendiamo adesso vagliarla in ulteriori studi, effettuando test di sollecitazione meccanica su tessuti ossei del collo del femore che presentano strutture diverse.» A quel punto si potrà chiarire se una struttura irregolare aumenti effettivamente il rischio di fratture ossee. «Presumibilmente potremo anche stabilire in quale misura tali cambiamenti della nanostruttura ossea siano in correlazione con l’età».

I ricercatori si augurano che il loro lavoro contribuisca a una comprensione più approfondita della struttura delle ossa in generale e della loro analisi. Inoltre, questo lavoro potrebbe far progredire la ricerca di base sulla meccanica ossea: «I metodi per analizzare i materiali biologici su scala nanometrica, sia dal punto di vista strutturale che nei loro aspetti meccanici, sono oggetto di continuo sviluppo», afferma Marianne Liebi. «Mostriamo cosa sono già in grado di fare oggi questi sviluppi e in quale direzione potrebbero puntare in futuro.»

Acquisizioni di immagini più veloci grazie all'aggiornamento della Sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS

Per gli studi che saranno condotti in futuro, il recente aggiornamento della Sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS tornerà utile ai ricercatori. A tal riguardo, l’intero anello di accumulazione di elettroni è stato sostituito con più di mille nuovi magneti ad alta precisione, aumentando così di molte volte l’intensità e la brillantezza della sorgente di raggi X. Questo consente l'acquisizione di immagini nettamente più dettagliate rispetto al passato e riduce considerevolmente i tempi di misurazione.

«Siamo riusciti ad acquisire completamente in 3D solo i campioni di due delle 78 ossa di colli del femore, perché, in parole povere, con la tecnologia utilizzata finora l'acquisizione richiedeva molto tempo ed era mostruosamente costosa», riferisce Torne Tänzer. La tomografia 3D ha richiesto un’intera giornata per ogni acquisizione di immagine, mentre le misurazioni 2D su sezioni sottili, effettuate presso il sincrotrone svedese MAX IV, durante la fase di ristrutturazione della Sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS, sono bastati appena venti minuti. Utilizzando i pochi esempi di acquisizioni in 3D, i ricercatori hanno potuto trarre delle conclusioni sugli altri campioni, esaminati solo in due dimensioni, e interpretare così meglio i dati 2D. «Con la Sorgente di luce di sincrotrone svizzera SLS rinnovata saremo in grado adesso di analizzare molti più campioni in 3D. Questo aumenterà nettamente la nostra acquisizione di conoscenze.»

Testo: Jan Berndorff

Informazioni sul PSI

L'Istituto Paul Scherrer PSI sviluppa, costruisce e gestisce grandi e complesse strutture di ricerca e le mette a disposizione della comunità di ricerca nazionale e internazionale. La sua ricerca si concentra sulle tecnologie del futuro, l'energia e il clima, l'innovazione sanitaria e i fondamenti della natura. La formazione dei giovani è una preoccupazione centrale del PSI. Per questo motivo, circa un quarto dei nostri dipendenti sono ricercatori post-dottorato, dottorandi o apprendisti. Il PSI impiega un totale di 2.300 persone, il che lo rende il più grande istituto di ricerca della Svizzera. Il budget annuale è di circa 450 milioni di franchi svizzeri. Il PSI fa parte del settore dei PF, che comprende anche il Politecnico di Zurigo e l'EPF di Losanna, nonché gli istituti di ricerca Eawag, Empa e WSL.

Contatto

Prof. Dr. Marianne Liebi
PSI Center for Photon Science
Istituto Paul Scherrer PSI
+41 56 310 44 38
marianne.liebi@psi.ch
[tedesco, inglese]

Torne Tänzer
PSI Center for Photon Science
Istituto Paul Scherrer PSI
torne.taenzer@psi.ch
[tedesco, inglese, francese]

Pubblicazione originale

Combination of 3D and 2D small and wide angle X-ray scattering imaging reveals diminished bone quality in the superior human femoral neck cortex
Torne Tänzer, Tatiana Kochetkova, Arthur Baroni, Mathieu Simon, Mads Carlsen, Santiago Fernandez Bordin, Manuel Guizar-Sicairos, Philippe Zysset, Marianne Liebi
Advanced Materials, 09.07.2026 (online)
DOI: 10.1002/adma.73848

Testo originale:

https://www.psi.ch/it/news/comunicati-stampa/esplorare-la-stabilita-delle-ossa-con-un-dettaglio-nanometrico