Das Geheimnis starker Zähne: Nanostrukturen unter Stress

Zähne wachsen beim erwachsenen Menschen nicht nach, sie halten im Idealfall ein Leben lang, auch wenn sie enormen Kräften ausgesetzt sind. Bisher war jedoch unklar, warum das Zahnbein oder Dentin, das den eigentlichen Zahn bildet, überhaupt so belastbar ist.

10. Juni 2015

Ein interdisziplinäres Team um Forscher von der Charité - Universitätsmedizin Berlin hat nun die komplexe Struktur von Dentin analysiert, die aus einem dichten Netz aus Kollagenfasern besteht, in das mineralische Nanopartikel sowie die deutlich größeren dentalen Tubuli eingebettet sind. An den Synchrotronquellen BESSY II am HZB, Berlin und der European Synchrotron Radiation Facility ESRF, Grenoble, Frankreich, konnten sie aufdecken, dass das dichte Netz aus Kollagenfasern die Mineralpartikel nicht nur umgibt, sondern auch noch komprimiert. Diese inneren Kräfte sorgen dafür, dass sich Risse nicht ungehindert ausbreiten und erhöhen die Belastbarkeit der Biostruktur.

Die Illustration skizziert die komplexe Biostruktur von Dentin: Die dentalen Tubuli (gelbe Hohlzylinder, etwa 1 Mikrometer im Durchmesser) sind von einem Gewebe aus Kollagenfasern umgeben, in das auch die winzigen mineralischen Nanopartikel eingebettet sind. Da deren Durchmesser nur wenige Nanometer betragen, sind sie in dieser Skizze nicht gezeigt.

In den Ingenieurswissenschaften werden innere Vorspannungen bewusst eingesetzt, um Materialien für technische Anwendungen gezielt zu verstärken. Nun scheint es, dass auch die Evolution diesen Trick gut kennt und in unseren Zähnen nutzt. Dabei besteht das Zahnbein aus dem Material Dentin, einer knochenartigen Substanz aus mineralischen Nanopartikeln, die in ein dichtes Netz aus Kollagenfasern eingebettet sind. Anders als Knochen können Zähne Brüche jedoch nicht selbst „reparieren“. Dabei sind sie beim Kauen und Beißen enormen Kräften ausgesetzt, die zu feinen Rissen führen können. Wie solche Risse im Zahndentin begrenzt werden können, war bislang nicht ganz klar.

Nun haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Julius-Wolff-Instituts der Charité Berlin zusammen mit Teams der Technischen Universität Berlin, dem MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam und dem Technion - Israel Institute of Technology, Haifa diese Biostruktur im Detail untersucht. Sie ermittelten in-situ an der mySpot-Anlage[1] von BESSY II am HZB, Berlin, den inneren Stress und analysierten die lokale Ausrichtung der mineralischen Nanopartikel an der „Nano-Imaging-Facility“ der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankreich.

Ihre Messungen an Dentinproben zeigten: Wenn die winzigen Kollagenfasern schrumpfen, werden die eingebetteten Mineralpartikel zunehmend zusammen gedrückt. “Durch Veränderungen der Feuchtigkeit konnte unsere Gruppe demonstrieren, wie der Stress in den Mineralpartikeln zunimmt“, erklärt  Dr. Paul Zaslansky vom Julius Wolff-Institut der Charité Berlin. “Dies trägt dazu bei, die Entstehung von Rissen zu verhindern; Dabei sorgt die Art und Weise der Kompression auch dafür, dass die innersten Bereiche des Zahns weitgehend vor Rissen geschützt bleiben, so dass die empfindliche Pulpa nicht beschädigt wird“. Dadurch helfen die inneren Spannungen, die Entstehung und Ausbreitung von Rissen zu begrenzen.

Die Wissenschaftler untersuchten auch die Frage, was geschieht, wenn die Verbindung zwischen den Mineralpartikeln und den Kollagenfasern geschwächt wird, etwa durch Erhitzung. Dabei stellten sie fest, dass die Belastbarkeit von Dentin abnimmt. “Wir glauben daher, dass die inneren Spannungen zwischen den Mineralpartikeln und den Kollagenfasern im Gleichgewicht sein müssen und dass dies für die dauerhafte Belastbarkeit von Zähnen entscheidend ist“, sagt Jean-Baptiste Forien, Erstautor der Studie. Ihre Ergebnisse könnten erklären, warum künstlicher Zahnersatz in der Regel weitaus weniger belastbar ist als gesunde Zahnsubstanz: die keramischen Materialien sind einfach zu “passiv” gegenüber Belastung, da ihnen die Mechanismen fehlen, die in der natürlichen Zahnsubstanz für Stabilität sorgen. “Vielleicht liefert diese Arbeit einige Anregungen für die Entwicklung besserer keramischer Materialien für die Zahnbehandlung”, hofft Zaslansky.

Die Arbeiten fanden im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1420 "Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials" statt und zielten darauf ab, die Bruchfestigkeit von Zahnsubstanz zu verstehen, um belastbarere keramische Füllungen zu entwickeln.


[1] (die in Zusammenarbeit mit dem MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung betrieben wird)

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