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 Der erste Blick auf ein einzelnes Protein
18.01.2017 | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

nachricht Unterschiedliche Rekombinationsraten halten besonders egoistische Gene im Zaum
18.01.2017 | Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön

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: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Der erste Blick auf ein einzelnes Protein

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das menschliche Hirn wächst länger und funktionsspezifischer als gedacht

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Zur Sicherheit: Rettungsautos unterbrechen Radio

18.01.2017 | Verkehr Logistik