{"id":35261,"date":"2016-06-08T07:23:15","date_gmt":"2016-06-08T05:23:15","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=35261"},"modified":"2016-06-07T09:52:18","modified_gmt":"2016-06-07T07:52:18","slug":"nutzerforschung-an-bessy-ii-was-zaehne-fester-macht-als-jedes-bekannte-kuenstliche-material","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/nutzerforschung-an-bessy-ii-was-zaehne-fester-macht-als-jedes-bekannte-kuenstliche-material\/","title":{"rendered":"Nutzerforschung an BESSY II: Was Z\u00e4hne fester macht als jedes bekannte k\u00fcnstliche Material"},"content":{"rendered":"
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Biostruktur des Dentins: Tubuli und Netz von Kollagenfasern, in denen mineralische Nanopartikel eingebettet sind. Grafik: Jean-Baptiste Forien, \u00a9 Charit\u00e9 \u2013 Universit\u00e4tsmedizin Berlin – Zoom – <\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Dentin gilt als einer der best\u00e4ndigsten biologischen Stoffe \u00fcberhaupt. Wie Wissenschaftler der Charit\u00e9\u2013Universit\u00e4tsmedizin Berlin nun zeigen konnten, ist es in seiner Zusammensetzung langlebiger als jedes k\u00fcnstlich geschaffene Material. Der Grund daf\u00fcr liegt in seinen winzigen Nanostrukturen und hier insbesondere im Wechselspiel der einzelnen Komponenten. Die pr\u00e4zise Interaktion zwischen Proteinfasern und mineralischen Nanopartikeln ist daf\u00fcr verantwortlich, dass Dentin ausgesprochen hohem Druck standhalten kann. Dies haben Messungen an der Synchrotronquelle BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin nachgewiesen. Die Ergebnisse sind jetzt in der Fachzeitschrift Chemistry of Materials ver\u00f6ffentlicht.<\/strong><\/p>\n

Ganze 5000 Mal und mehr bei\u00dft der Mensch an einem Tag zu. Gesunde Z\u00e4hne brechen dabei erstaunlich selten, und sie halten beim Kauen starkem Druck stand. Das liegt an ihrem Aufbau. Ein Zahn besteht aus dem Zahnbein, auch Dentin genannt, welches von Zahnschmelz umh\u00fcllt ist. Das Geheimnis steckt im Detail. Das Zahnbein ist eine knochen\u00e4hnliche Substanz, bestehend aus kleinsten mineralischen Nanopartikeln, Kollagen und Wasser. W\u00e4hrend der Zahnschmelz vor allem aus dem Mineral cHAP gebildet wird, ist das Dentin ein komplexes Nanokomposit. In organische Kollagen-, also Eiwei\u00dffasern, sind anorganische Nanopartikel aus cHAP-Kristallen eingebettet. F\u00fcr die hohe Belastbarkeit der Biostruktur sind innere Spannungen verantwortlich, wie die Wissenschaftler um Dr. Jean-Baptiste Forien und Dr. Paul Zaslansky vom Julius Wolff Institut der Charit\u00e9 bereits nachweisen konnten.<\/p>\n

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Die Kollagenfasern enthalten auch Wasser. Das Bild oben rechts zeigt eine Faser in normalem Zustand. Durch die W\u00e4rmebehandlung (Bild rechts unten) trocknet die Kollagenfaser aus, die Nanopartikel geraten unter extremen Druck. Grafik: Jean-Baptiste Forien, \u00a9 Charit\u00e9 \u2013 Universit\u00e4tsmedizin Berlin – Zoom –<\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Wechselwirkung zwischen Nanopartikeln und Kollagenfasern vermessen<\/h3>\n

Die innere Vorspannung innerhalb des Materials erkl\u00e4rt, warum sich kleinere Risse oder Spr\u00fcnge im Zahnschmelz meist nicht weiter im intakten Dentin ausbreiten. Nun hat das Team um Zaslansky die Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Kollagenfasern in menschlichen Zahnproben genau vermessen: \u201eErstmals konnten wir nicht nur die Gitterkonstanten der cHAP-Kristalle in den Nanopartikeln pr\u00e4zise bestimmen, sondern gleichzeitig auch die Gr\u00f6\u00dfen der Nanopartikel ermitteln. Dabei haben wir unter anderem festgestellt, welchen Belastungen sie prinzipiell standhalten k\u00f6nnen\u201d, sagt Zaslansky. Einblick in die winzigen Strukturen haben die Forscher in Laboren der Charit\u00e9 erhalten, wie auch durch Messungen an der Synchrotronquelle BESSY II, einem wissenschaftlichen Gro\u00dfger\u00e4t am Helmholtz-Zentrum Berlin, das Strahlung vom Terahertz- bis in den R\u00f6ntgenbereich erzeugt.<\/p>\n

Austrocknen erh\u00f6ht den Druck auf ein Vielfaches der Kaubelastung<\/h3>\n

In ihren Experimenten haben die Wissenschaftler den internen Druck in den Dentinproben erh\u00f6ht. Dazu erhitzten sie die Proben auf 125 Grad Celsius, um sie auszutrocknen. Der Wasserverlust l\u00e4sst die Kollagenfasern schrumpfen, die daraufhin hohe Drucke auf die Nanopartikel aus\u00fcben. Mit bis zu 300 Megapascal entsprechen diese Druckverh\u00e4ltnisse der Streckfestigkeit von Baustahl und sind 15 Mal h\u00f6her als der eigentliche Kaudruck, der \u00fcblicherweise weit unter 20 Megapascal liegt. W\u00e4hrend der W\u00e4rmebehandlung wurden die Proteinfasern nicht zerst\u00f6rt, was auf eine Schutzwirkung der mineralischen Nanopartikel hindeutet.<\/p>\n

Im Innern des Dentins werden die Nanopartikel k\u00fcrzer<\/h3>\n

Die Auswertung der Daten zeigt zudem, dass das Gitter der cHAP-Mineralkristalle im Zahn von au\u00dfen nach innen kleiner wird. \u201eGewebe nahe des Zahnmarks, das sich in sp\u00e4teren Stadien der Zahnentwicklung gebildet hat, enth\u00e4lt Mineralpartikel mit kleineren Einheitszellen\u201c, stellt Zaslansky fest. Die Gr\u00f6\u00dfe der Nanopartikel verh\u00e4lt sich ebenso: W\u00e4hrend sie in der Zahnwurzel au\u00dfen, in Richtung des sog. Zements, noch etwa 36 Nanometer lang sind, weisen sie im Inneren des Zahnbeins, in Richtung der Pulpa, nur noch 25 Nanometer L\u00e4nge auf.<\/p>\n

Vorbild f\u00fcr Zahnf\u00fcllungen<\/h3>\n

Mit seinen raffinierten Strukturen k\u00f6nnte das Zahnbein Vorbild bei der Entwicklung neuer Materialien sein, beispielsweise f\u00fcr Zahnf\u00fcllungen. \u201eDie Architektur des Dentins ist deutlich komplexer als erwartet. W\u00e4hrend der Zahnschmelz sehr hart, aber auch spr\u00f6de ist, \u00fcben die organischen Fasern im Dentin genau den richtigen Druck auf die mineralischen Nanopartikel aus, um das Zahnbein insgesamt noch belastbarer zu machen\u201c, so die Wissenschaftler. Das gilt zumindest, solang der Zahn intakt ist. Kariesbakterien l\u00f6sen nicht nur den mineralischen Zahnschmelz, sondern produzieren auch Enzyme, die die Kollagenfasern zerst\u00f6ren. Damit kann der Zahn leichter brechen. Entscheidend sind die Ergebnisse der aktuellen Untersuchung insbesondere auch f\u00fcr die Zahnmedizin in der t\u00e4glichen Anwendung: \u201eZ\u00e4hne sollten w\u00e4hrend einer Behandlung, beispielsweise dem Einbringen von F\u00fcllungen oder dem Befestigen von Kronen, nass sein und nicht zu stark erw\u00e4rmt werden. Das vermeidet internen Druck und kann zu nachhaltigeren Behandlungserfolgen f\u00fchren\u201c, res\u00fcmiert Zaslansky.<\/p>\n

 <\/p>\n

Publikation:<\/strong> Jean-Baptiste Forien, Ivo Zizak, Claudia Fleck, Ansgar Petersen, Peter Fratzl, Emil Zolotoyabko and Paul Zaslansky. Water-Mediated Collagen and Mineral Nanoparticle Interactions Guide Functional Deformation of Human Tooth Dentin. Chemistry of Materials. 2016, 28 (10), pp 3416\u20133427<\/a>. doi:10.1021\/acs.chemmater.6b00811<\/strong><\/em><\/p>\n

 <\/p>\n

Kontakt<\/h3>\n

Dr. Paul Zaslansky
\nTel.: +49 30 450 559 589
\nmail: paul.zaslansky@charite.de<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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