Stabil, leicht und bruchsicher

8. April 2017, 21:58

Hohe, schlanke Bäume, die auch bei starkem Wind nicht knicken, extrem reißfeste aber hauchdünne Spinnenfäden, stabile, aber nicht zu spröde Knochen - die Natur hat eine Reihe von Strategien für mechanisch sehr anspruchsvolle Strukturen entwickelt.

Und sie kommt dabei ohne den für die menschlichen Konstruktionen so wichtigen Baustoff Metall aus. Biologische Materialien wie Holz, Knochen oder Zähne sind im Laufe der Evolution von der Natur für ihre jeweilige Anwendung optimiert worden.

Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaft

Die Bauprinzipien dieser Gewebe, ihre Eigenschaften und ihre Funktion liefern für die Materialwissenschaft wichtige Erkenntnisse. Sie lassen sich für das Design von neuartigen Werkstoffen einsetzen lassen und könnten auch für die Biomedizin interessant sein - zum Beispiel, wenn es darum geht, neue Knochenersatzmaterialien zu entwickeln. Am Potsdamer Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung In Golm bei Berlin wird an Biomaterialien geforscht.

Die Forscher interessiert vor allem, welchen Zusammenhang es zwischen der Struktur eines Naturstoffes und dessen Eigenschaften gibt. Den menschlichen Knochen, seine innere Struktur und deren Veränderung zu untersuchen ist eines der Hauptprojekte in der Abteilung für Biomaterialien. Die Veränderung der Knochenstruktur ist zum Beispiel für die weit verbreitete Erkrankung Osteoporose mitverantwortlich.

Grundmechanismen der Osteoporose

In enger Zusammenarbeit mit dem Ludwig Boltzmann Institut für Osteologie in Wien versuchen die Wissenschafter im Max-Planck-Institut in Golm den Grundmechanismen der Osteoporose auf die Spur zu kommen.

Dafür ist nicht allein die Knochendichte entscheidend, sondern auch die Mikroarchitektur, also wie das vorhandene Material im Knochen strukturiert ist. Aus ihren Erkenntnissen zur Knochenfeinstruktur wollen die Wissenschafter nicht nur neue Diagnose- und Therapiemethoden für Osteoporose entwickeln.

Der Natur nachgebaut

Mit einer speziellen Methode, dem "rapid-prototyping-Verfahren" ist es ihnen außerdem möglich, künstliche Knochenersatzmaterialien bis auf die Mikrostruktur genau der Natur nachzubauen. Diese Materialien hätten, wenn man sie eines Tages als Implantat verwendet, die Eigenschaft, dass Knochenzellen in sie einwandern und die Implantate mit der Zeit durch körpereigenes Knochengewebe ersetzt werden könnten.

Ein weiteres Material der Natur, das die Wissenschafter am Max-Planck Institut in Golm interessiert, ist gleichzeitig einer der ältesten Baustoffe des Menschen: das Holz. Besonders auffällig an den mechanischen Eigenschaften des Holzes ist, dass es steif ist ohne leicht zu brechen.

Vor einiger Zeit konnten die Forscher einen molekularen Mechanismus nachweisen, mit dessen Hilfe sich Holz - ähnlich wie Metall - verformen kann, ohne dass das Holz beschädigt wird.