Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Was macht Knochen und Zähne so hart?

15.05.2003


Max-Planck-Wissenschaftler weisen nach, dass extreme Festigkeit von Biomaterialien auf einer bisher unbekannten "Fehlertoleranz-Schwelle" im Nanometer-Bereich beruht


Hartes biologisches Gewebe wie Knochen (a), Wirbelsäulenknochen (b) oder Perlmutt (c) sind Nano-Komposite aus harten Mineralkristallen, eingebettet in eine weiche (Protein)-Matrix (d,e,f).

Foto: Max-Planck-Institut für Metallforschung


"Fehlerfreundliche" Nano-Mineralpartikel in Biokompositen. Sinkt die Größe der Partikel, verschwindet die Spannungskonzentration und die Festigkeit des Materials erreicht den Wert eines defektfreien Kristalls, trotz der Existenz von Materialfehlern.

Foto: Max-Planck-Institut für Metallforschung



Bis heute ist es ein großes Geheimnis, wie die Natur harte und sehr feste Materialien, wie Knochen, Zähne oder Holz, aus einer Mischung aus Proteinen, weich wie menschliche Haut, und Mineralien, spröde wie Schulkreide, erzeugen kann. Zwar ist inzwischen allgemein bekannt, dass dabei der Komposit-Charakter von biologischen Materialien eine wichtige Rolle spielt, doch über die Längenskala der darin enthaltenen Mineralteilchen wusste man bisher nur wenig. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Metallforschung und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben jetzt nachgewiesen, dass harte biologische Materialien eine optimale Festigkeit und hohe Toleranz gegenüber Materialfehlern erreichen, wenn die darin enthaltenen Mineralpartikel nur noch wenige Nanometer groß sind. Die Forscher stellten fest, dass in diesen Stoffen bei etwa 30 Nanometern eine kritische Schwelle existiert, unterhalb derer Partikel in biologischen Komposit-Materialien unempfindlich gegenüber Materialfehlern werden. Sie erreichen dann die Festigkeit eines perfekten Kristalls, trotz Materialfehler. Dieses Phänomen deutet darauf hin, dass das heute weitgehend verwendete Konzept, Spannungskonzentrationen in Materialien zu vermeiden, auf der Nano-Skala nicht mehr gültig ist und eröffnet der Anwendung ganz neue Perspektiven.



Die Erforschung und Anwendung neuer Materialien ist von großer Bedeutung für die Entwicklung der menschlichen Zivilisation. Heute sind wir in der Lage, eine große Zahl von Materialien mit vielen interessanten mechanischen Eigenschaften herzustellen. Einige davon, wie Glas oder Mineralkristalle, sind sehr hart, aber auch brüchig. Andere, wie Gummi oder Kollagen, sind weich und zugleich zäh. Seit der Bronze- und Eisenzeit haben es die Menschen auch gelernt, aus verschiedenen Metallen und metallischen Legierungen harte und zähe Materialien herzustellen. Dank neuer Kenntnisse aus der Metallurgie wissen wir heute, dass Härte und Zähigkeit von Metallen zum großen Teil auf ihre kristalline Struktur zurückzuführen ist. Durch Versetzungen, eine wichtige Klasse von Materialdefekten, werden in zähen Materialien Spannungsüberhöhungen an rissähnlichen Defekten abgebaut. Das aber geht auf Kosten ihrer Härte. Dieser Zielkonflikt, feste, aber trotzdem fehlerfreundliche Materialien zu erzeugen, ist deshalb ein "Dauerbrenner" in der modernen Forschung. Eine der wichtigsten Herausforderungen besteht deshalb darin, Materialien zu entwickeln, die hart und zugleich fest sind und dennoch keine Versetzungen enthalten. Dies würde ein neues Gebiet in den Materialwissenschaften und zugleich ganz neue Anwendungen eröffnen, wie Hochtemperatur-Maschinen (Motoren, Turbinen), Leichtbau-Strukturen oder ermüdungs- oder korrosionsresistente Materialien.

Eine Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, von "Mutter Natur" zu lernen, da es ihr durch natürliche Evolution offensichtlich gelungen ist, harte und zugleich feste Materialien zu produzieren, wie Knochen, Zähne, Muschelschalen oder Holz. Doch es wäre sehr schwierig zu versuchen, die biologische Erzeugung von Materialien in allen Details nachzuahmen. Besser und vor allem praktikabler wäre es, sich die Grundprinzipien, nach denen Biomaterialien generiert werden, durch innovative Hypothesen, Modellierungen und Experimente zu nutze zu machen. Hat man diese Prinzipien einmal verstanden, kann man daran gehen, Materialien für spezielle Anwendungen zu entwerfen, ohne dabei alle Details der biologischen Materialprozesse zu kennen.

Biomaterialien wie zum Beispiel Knochen sind molekulare Komposite aus Proteinen und Biomineralien. Während die Steifheit dieser Bio-Komposite denen des Minerals ähnelt, kann ihre "Fehlerfreundlichkeit" (Rissenergie) um einige Größenordungen höher sein als die des eigentlichen Minerals. So zeigt die Komposit-Schale von Perlmutt beispielsweise eine 3.000 Mal höhere Bruchenergie als die des eingebetteten Minerals Kalziumkarbonat (CaCO3). Trotz ihrer komplizierten hierarchischen Struktur beobachtet man bei Bio-Kompositen, dass ihre kleinsten Bauteile im allgemeinen nur einige Nanometer lang sind und als Mineralblättchen, symmetrisch ausgerichtet in einer ganz bestimmten Struktur, in eine Protein-Matrix eingebettet sind.

Doch warum spielt die Nanometer-Skala eine so große Rolle bei Biomaterialien? Die Forscher vom Max-Planck-Institut für Metallforschung und von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften an der Universität Leoben haben jetzt herausgefunden, dass die spezielle Nanostruktur von Biomaterialien vermutlich der Schlüssel zu ihrer hohen Bruchenergie ist. Ihre Analyse deutet darauf hin, dass die Mineralkristalle in diesen Kompositen die Zugbelastung tragen, während die Proteinmatrix die Belastungen zwischen den Mineralblättchen über Abscherung überträgt. Die winzigen Mineralkristalle haben sehr hohe Streckungsgrade, die die große Differenz in der Steifheit zwischen Mineralien und Proteinen ausgleichen. Um die Integrität und Festigkeit der Komposit-Struktur zu sichern, muss der Mineralkristall große Zugdehnungen aushalten können, ohne zu brechen. Die Zugfestigkeit der Mineralkristalle ist daher der Schlüssel zur Festigkeit der Komposite als Ganzes.

Mit einer Reihe von mathematischen Gleichungen können die beteiligten Forscher zeigen, dass Mineralkristalle, die einen Riss enthalten, bei einer kritischen Größe von ungefähr 30 Nanometer die Rissfestigkeit eines perfekten, defektfreien Kristalls aufweisen. Außerdem haben sie eine numerische Methode entwickelt, um zu demonstrieren, dass das Spannungsfeld in der Nähe eines wachsenden Risses immer homogener wird, je kleiner die Ausdehnung der Struktur ist, und bei einer kritischen Länge von wenigen Nanometern seine höchste Festigkeit erreicht. Unterhalb dieser kritischen Größe sind Partikel unempfindlich gegenüber rissähnlichen Materialdefekten. Diese Ergebnisse erklären, warum Knochen, die aus Partikeln von nur einigen Nanometern Größe bestehen, wesentlich fester sind als Muschelschalen, deren Teilchen einige hundert Nanometer groß sind. Die Wissenschaftler gehen deshalb davon aus, dass das Ingenieurskonzept, wonach Spannungsüberhöhungen durch Materialfehler entstehen, bei der Konstruktion auf der Nanometerskala nicht mehr gilt, da Nano-Komposit-Materialien unempfindlich gegenüber Materialfehlern werden.

Weitere Informationen:

Prof. Huajian Gao
Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart
Tel.: 0711 - 689-3510
Fax: 0711 - 689-3512
E-Mail: hjgao@mf.mpg.de

Prof. Huajian Gao | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mf.mpg.de

Weitere Berichte zu: Biomaterial Festigkeit Knochen Mineralkristall Nanometer

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aus der Moosfabrik
20.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Wie Fettleibigkeit Brustkrebs aggressiver macht
20.10.2017 | Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher untersuchen Pflanzenkohle als Basis für umweltfreundlichen Langzeitdünger

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

„Antilopen-Parfüm“ hält Fliegen von Kühen fern

20.10.2017 | Agrar- Forstwissenschaften

Aus der Moosfabrik

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie