News: Knochenhart
Zähne und Knochen halten über Jahrzehnte erstaunlichen Belastungen stand, denen künstliche Materialien zum Teil kaum gewachsen wären. Doch was bewirkt die außerordentliche Stabilität?
© (Ausschnitt)
Manche Zeitgenossen muten ihren Zähnen einiges zu: Da werden Nüsse geknackt, Kabel abisoliert und sogar Kronkorken von der Flasche gehebelt. Auch wenn sich dergleichen sicherlich nicht zur Nachahmung empfiehlt, so ist doch erstaunlich, welchen Belastungen der Zahnschmelz standhält. Oder können Sie sich vorstellen, mit einem Porzellan-Flaschenöffner zu hantieren?
Und nicht nur unsere Zähne glänzen in punkto Stabilität, auch Knochen vermögen so mancher Belastung zu widerstehen. Forscher führten die Widerstandskraft dieser natürlichen Materialien bislang auf ganz unterschiedliche Gründe zurück. Die besondere hierarchische Struktur auf mikro- und makroskopischer Ebene; die mechanischen Eigenschaften von Proteinen, die heftige Krafteinwirkung auffangen; Effekte der Grenzschicht zwischen Proteinen und Mineralien – der Ideen gab es viele, doch ein Merkmal der harten Biomaterialien blieb bisher unberücksichtigt. Denn sowohl in Zahnschmelz wie in Knochen und auch im Perlmutt von Muscheln liegen die kristallinen Bestandteile in winziger Form vor.
Haujian Gao vom Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart und seine Kollegen schenkten diesen Nanokristallen ihre Beachtung und rechneten an einem einfachen Modell durch, wie groß ein Kristall maximal sein darf, um dem daraus entstehenden Verbundmaterial noch möglichst große Stabilität zu verleihen. 30 Nanometer ist demzufolge die kritische Größe. Unterhalb davon stören sich die winzigen Mineralien nicht einmal an kleinen Rissen oder Einschlüssen eines weicheren Materials – etwa eines Proteins. Der Nanopartikel verhält sich auch in diesem Fall wie ein idealer Kristall ganz ohne Fehler. Sind die Kristalle jedoch größer, dann werden sie anfällig für Risse und können unter Belastung früher nachgeben.
Tatsächlich passt der berechnete Wert ganz gut zu Gegebenheiten in der Natur. So setzt sich der Zahnschmelz beispielsweise aus nadelförmigen Kristallen von etwa 15 bis 20 Nanometern Dicke und etwa einem Mikrometer Länge zusammen, die wiederum in einer relativ weichen Matrix eingebettet sind. Knochen besteht hingegen aus vielen mineralischen Plättchen, die gerade mal zwei bis vier Nanometer dick sind, einen Durchmesser von etwa 100 Nanometern besitzen und sich in einer kollagenreichen Proteinmasse verteilen.
Perlmutt passt allerdings nicht so richtig ins Bild. Denn hier messen die Kristalle einige hundert Nanometer in der Dicke, und ihre Länge beträgt mehrere Mikrometer. Wie Ziegelsteine sind sie dicht an dicht gestapelt. Aber auch hierfür haben Gao und sein Team eine Erklärung parat. So stellt die 30-Nanometer-Marke ein Optimum für Materialien dar, deren Zusammensetzung nicht weiter vorgegeben ist. In Perlmutt ist jedoch der Mineralgehalt mit 95 Prozent sehr groß im Vergleich zu Knochen und Zahnschmelz. Berücksichtigt man das, so ergibt sich eine optimale Kristallgröße von etwa 200 Nanometern.
Zudem fanden die Forscher heraus, dass ein Verbundmaterial mit einem geringeren Mineralanteil Kristalle ausbildet, deren Verhältnis von Länge zu Dicke besonders groß ist. Damit wird nämlich trotz des Mineralmangels eine große Steifheit erreicht. In aller Regel heißt das außerdem, dass die Nanokristalle besonders dünn sind – eben so, wie an Knochen und Zahnschmelz zu beobachten ist.
Und nicht nur unsere Zähne glänzen in punkto Stabilität, auch Knochen vermögen so mancher Belastung zu widerstehen. Forscher führten die Widerstandskraft dieser natürlichen Materialien bislang auf ganz unterschiedliche Gründe zurück. Die besondere hierarchische Struktur auf mikro- und makroskopischer Ebene; die mechanischen Eigenschaften von Proteinen, die heftige Krafteinwirkung auffangen; Effekte der Grenzschicht zwischen Proteinen und Mineralien – der Ideen gab es viele, doch ein Merkmal der harten Biomaterialien blieb bisher unberücksichtigt. Denn sowohl in Zahnschmelz wie in Knochen und auch im Perlmutt von Muscheln liegen die kristallinen Bestandteile in winziger Form vor.
Haujian Gao vom Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart und seine Kollegen schenkten diesen Nanokristallen ihre Beachtung und rechneten an einem einfachen Modell durch, wie groß ein Kristall maximal sein darf, um dem daraus entstehenden Verbundmaterial noch möglichst große Stabilität zu verleihen. 30 Nanometer ist demzufolge die kritische Größe. Unterhalb davon stören sich die winzigen Mineralien nicht einmal an kleinen Rissen oder Einschlüssen eines weicheren Materials – etwa eines Proteins. Der Nanopartikel verhält sich auch in diesem Fall wie ein idealer Kristall ganz ohne Fehler. Sind die Kristalle jedoch größer, dann werden sie anfällig für Risse und können unter Belastung früher nachgeben.
Tatsächlich passt der berechnete Wert ganz gut zu Gegebenheiten in der Natur. So setzt sich der Zahnschmelz beispielsweise aus nadelförmigen Kristallen von etwa 15 bis 20 Nanometern Dicke und etwa einem Mikrometer Länge zusammen, die wiederum in einer relativ weichen Matrix eingebettet sind. Knochen besteht hingegen aus vielen mineralischen Plättchen, die gerade mal zwei bis vier Nanometer dick sind, einen Durchmesser von etwa 100 Nanometern besitzen und sich in einer kollagenreichen Proteinmasse verteilen.
Perlmutt passt allerdings nicht so richtig ins Bild. Denn hier messen die Kristalle einige hundert Nanometer in der Dicke, und ihre Länge beträgt mehrere Mikrometer. Wie Ziegelsteine sind sie dicht an dicht gestapelt. Aber auch hierfür haben Gao und sein Team eine Erklärung parat. So stellt die 30-Nanometer-Marke ein Optimum für Materialien dar, deren Zusammensetzung nicht weiter vorgegeben ist. In Perlmutt ist jedoch der Mineralgehalt mit 95 Prozent sehr groß im Vergleich zu Knochen und Zahnschmelz. Berücksichtigt man das, so ergibt sich eine optimale Kristallgröße von etwa 200 Nanometern.
Zudem fanden die Forscher heraus, dass ein Verbundmaterial mit einem geringeren Mineralanteil Kristalle ausbildet, deren Verhältnis von Länge zu Dicke besonders groß ist. Damit wird nämlich trotz des Mineralmangels eine große Steifheit erreicht. In aller Regel heißt das außerdem, dass die Nanokristalle besonders dünn sind – eben so, wie an Knochen und Zahnschmelz zu beobachten ist.
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