Warum Knochen nicht so leicht brechen. Forscher der Universität Wien erhält Preis für die Erforschung der Knochenstruktur

Dafür wird Herwig Peterlik am Freitag, 2. März 2007, von der Deutschen Gesellschaft für Osteologie, die in der Wiener Hofburg tagt, mit dem Copp-Preis 2007 ausgezeichnet.

Menschlicher Knochen ist ein Verbundwerkstoff von Kollagenfasern und plattenförmigen Mineralkristallen mit einem Durchmesser zwischen 3 und 4 Nanometern. Bisher wurde bei der Erforschung der mechanischen Eigenschaften von menschlichem Knochen der Schwerpunkt auf die Mineralkristalle gelegt.

Ausschlaggebend für den Knochenbruch: Orientierung der Kollagenfasern

Ein interdisziplinäres Forscherteam der Universität Wien, des Ludwig-Boltzmann-Instituts für Osteologie und des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung fand jedoch heraus, dass bei einem Knochenbruch die Orientierung der Kollagenfasern entscheidend ist. Dies wurde durch Experimente nachgewiesen, in denen die Wissenschafter die für den Bruch erforderliche Energie in Schritten von nur etwa 100 Mikrometern gemessen und mit der lokalen Struktur in Verbindung gesetzt haben.

Für Risse in Kollagenfaserrichtung ist nur eine geringe Bruchenergie erforderlich und der Knochen ist spröde. Ab einem Winkel der Kollagenfasern von 50 Grad quer zur Rissausbreitungsrichtung steigt die zum Bruch notwendige Energie sprunghaft an und kann sich – wenn Kollagenfasern reißen – bis um das Hundertfache erhöhen. Dies entspricht der Belastung von Oberschenkel- und Schienbeinknochen in Biegung. Der lamellare Aufbau des Knochens mit Kollagenfasern-Schichten unterschiedlicher Orientierung, aber einer Vorzugsrichtung gegen die Rissausbreitungsrichtung macht ihn unempfindlich gegen schon vorhandene, natürliche Risse.

Wissen um die Kollagenfasern auch für neues Verbundwerkstoff-Design wichtig

Die Ergebnisse sind nicht nur für die medizinische Forschung und für das Verständnis der mechanischen Eigenschaften von menschlichem Knochen wichtig. Sie ermöglichen auch neue Perspektiven in der Konstruktion von risstoleranten technischen Verbundwerkstoffen.

Publikation

From brittle to ductile fracture of bone. In: Nature Mater. 5 (2006) 52-55. In Zusammenarbeit mit Paul Roschger und Klaus Klaushofer vom Ludwig-Boltzmann-Institut für Osteologie (Wien) und Peter Fratzl vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (Potsdam).

Deutsche Gesellschaft für Osteologie (DGO) und Copp-Preis

Die DGO ist ein interdisziplinärer Zusammenschluss von ÄrztInnen, NaturwissenschafterInnen und IngenieurInnen, die sich mit Funktionen und Erkrankungen des Skeletts beschäftigen, wobei fachübergreifende Zusammenarbeit besonders gefördert wird. Jedes zweite Jahr vergibt die DGO für wegweisende wissenschaftliche Arbeiten den mit 7.500 Euro dotierten Copp-Preis.

Kontakt
Ao. Univ.-Prof. Mag. Dr. Herwig Peterlik
Leiter der Arbeitsgruppe Streuung und Spektroskopie
Fakultät für Physik
Universität Wien
1090 Wien, Strudlhofgasse 4
T +43-1-4277-513 50
herwig.peterlik@univie.ac.at
Rückfragehinweis
Mag. Veronika Schallhart
Öffentlichkeitsarbeit und Veranstaltungsmanagement
Universität Wien
1010 Wien, Dr.-Karl-Lueger-Ring 1
T +43-1-4277-175 30
M +43-664-602 77-175 30
veronika.schallhart@univie.ac.at