Forscher aus Eindhoven, Jena und Erlangen untersuchen Knochenbildungsprozesse

Während einer Straßenbahnfahrt durch Wien können Forschungsprojekte entstehen.

So fragten sich vor drei Jahren die Materialwissenschaftler Prof. Dr. Frank A. Müller von der Friedrich-Schiller-Universität Jena und Prof. Dr. Nico Sommerdijk von der Technischen Universität Eindhoven (Niederlande) in der Tram, wie man das Nukleationsverhalten – also die initiale Bildung einer kristallinen Struktur – von Kalziumphosphaten genauer untersuchen könnte.

Die Ergebnisse der Forscherteams aus Eindhoven, Jena und Erlangen erscheinen nun in einem Artikel des renommierten Fachjournals „Nature Materials“. Bereits heute ist er auf der Homepage des Magazins zu lesen (http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat2900.html).

„Uns gelang es in einem früheren Forschungsprojekt, biomimetischen – also an der Natur angelehnten – Hydroxylapatit aus sogenannter simulierter Körperflüssigkeit, die den anorganischen Teil des menschlichen Blutplasmas nachbildet, synthetisch herzustellen“, fasst der Jenaer Materialwissenschaftler zusammen. „Dabei handelt es sich um ein spezielles Kalziumphosphat, das einen Grundbestandteil des Knochens darstellt“, so Müller.

„Allerdings wollten wir auch genau wissen, wie die unterschiedlichen Ionen in der synthetischen Wachstumslösung zu Kristallstrukturen zusammenwachsen, wenn man ihnen eine geeignete Oberfläche zur Verfügung stellt, an der sie andocken können. Hierfür nutzten wir sogenannte Self-assembled Monolayers.“

Die niederländischen Kollegen nahmen den Prozess der Nukleation unter die Lupe, genauer gesagt unter das Transmissionselektronenmikroskop (TEM). Mit dem Eindhovener Cryo-TEM konnte das Wachstum der Kalziumphosphate zu definierten Zeitpunkten eingefroren und in verschiedenen Entwicklungsstadien beobachtet werden. Mit den neuen Erkenntnissen gelang es, 30 Jahre alte Theorien zur Bildung von Kalziumphosphaten aus wässrigen Systemen nun auch praktisch beweisen zu können. So weiß man nun definitiv, dass ein-nanometer-große Nukleationsvorstufen der Kalziumphosphate, sogenannte Posner-Cluster, in der Lösung schwimmen, ohne zu mineralisieren.

Die besondere Zusammensetzung der physiologischen Lösung stabilisiert sie. Wenn man aber eine geeignete Oberfläche anbietet, beginnen sie sich dort zusammenzulagern, bilden ab einer bestimmten Größe amorphe Strukturen und kristallisieren schließlich in einer Weise, die dem gerichteten Knochenwachstum entspricht.

„Diese neuesten Ergebnisse sind praktisch der letzte Baustein eines Forschungsprojekts, in dem wir uns mit der biomimetischen Herstellung von Apatit beschäftigt haben“, erklärt Prof. Müller. „Man konnte Hydroxylapatit zwar bereits vorher künstlich produzieren, allerdings hatte er dann nicht alle Eigenschaften des natürlichen Knochenminerals“, sagt der Jenaer Materialwissenschaftler. „So ist beispielsweise die für Knochenumbauprozesse wichtige Löslichkeit in synthetischem Hydroxylapatit deutlich höher als im natürlichen Knochen. Uns ist es gelungen, biomimetischen Apatit herzustellen, der in seiner Zusammensetzung und Wachstumsorientierung genau dem im Knochen vorliegenden Apatit entspricht.“

Mit den neuen Erkenntnissen ist es möglich, die Entwicklung innovativer Materialien für die Knochenregeneration voranzutreiben und ihre Bioakzeptanz zu verbessern. Außerdem unterstützen sie die Suche nach neuen Wirkstoffen gegen pathologische Kalzifizierungen – also Erkrankungen, die mit einer ungewollten Verknöcherung einhergehen.

Kontakt:
Prof. Dr. Frank A. Müller
Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie der Universität Jena
Löbdergraben 32, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947750
E-Mail: Frank.Mueller[at]uni-jena.de