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Materialforschung/Nanotechnik
Knochenarbeit mit Kristallen und Molekülen
Durch Selbstorganisation wachsen kugelförmige Komposit-Aggregate aus Calciumphosphat und Gelatine in Gelatine-Gel.
Knochen und Zähne kommen aus dem „Baukasten“ der Natur: Winzige Mineralkristalle und organische Makromoleküle bilden in ihnen so genannte Komposite. Wie aber wachsen zum Beispiel aus der Calciumphosphat-Verbindung Apatit und dem Eiweiß Kollagen feste aber dennoch elastische Knochen? Das untersucht eine Gruppe um Prof. Rüdiger Kniep, Direktor des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden.
Mancher Architekt, Bauingenieur oder Statiker wird ins Grübeln kommen, wenn er Gebilde sieht, die die Natur scheinbar aus simplem Calciumcarbonat fertigt – dem Hauptbestandteil von Kreide und Kalkstein: Die Stacheln eines Seeigels beispielsweise, die nur Millimeter dick aber Zentimeter lang sind und dennoch so stabil, dass sie den Stachelhäuter wirkungsvoll vor Feinden schützen. Oder kunstvoll gewundene Schneckenhäuser, die nicht nur relativ fest sind, sondern auch so formvollendet aussehen, dass man annehmen könnte, ein Star-Designer hätte sie entworfen. Aber wie wird aus dem mitunter stumpfen, bröseligen Calciumcarbonat ein spitzer Seeigelstachel oder ein mehrfarbiges, glänzendes Schneckenhaus?
Wenn biologische Systeme an der Entstehung von anorganischen Festkörpern aktiv beteiligt sind, sprechen Wissenschaftler von Biomineralisation. Wie diese im Detail abläuft, erforschen sie erst seit wenigen Jahren. Einer der Pioniere auf diesem Gebiet in Deutschland ist Rüdiger Kniep, Direktor des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden. Sein kleines Dresdner Biomineralisationsteam beschäftigt sich allerdings weder mit Seeigelstacheln noch mit Schneckenhäusern. Ihre Forschungsobjekte sind auf den ersten Blick weit weniger dekorativ, dafür aber für den Menschen lebenswichtig.
Denn sie untersuchen die Entstehung von Knochen und Zähnen. Sowohl beim Menschen als auch bei Wirbeltieren und Fischen bestehen diese aus Apatit, einer Calciumphosphat-Verbindung. In unbelebter Umgebung bildet Apatit – je nachdem, mit welchen Stoffen er „verunreinigt“ ist – große, verschiedenfarbige Kristalle, die früher oft mit Beryll oder Turmalin verwechselt wurden; daher stammt der Name Apatit, der sich vom griechischen apate (= Täuschung) ableitet. Ähnlich wie beim Calciumcarbonat stellt sich also auch hier die Frage: Wie verwandelt die Natur mineralischen Apatit in feste, aber elastische Knochen und Zähne?
Insgesamt kennen Wissenschaftler inzwischen rund 60 Mineralien, die lebende Organismen für ihre Zwecke nutzen – und die Liste der „Einsatzgebiete“ ist lang. Denn die anorganischen Festkörper sind nicht nur Hauptbestandteile von Werkzeugen (Zähnen), stützenden Gerüsten (Knochen) oder Schutzschildern gegen Feinde (Stacheln oder Schalen). Forscher fanden sie auch in Augenlinsen von Krebsen, Schwerkraftsensoren von Fischen und Quallen sowie als magnetische Rezeptoren in Bakterien. „In all diesen Fällen hat die Natur es verstanden, aus relativ einfachen chemischen Verbindungen im Lauf der Evolution vielseitige Funktionsmaterialien herzustellen“, sagt Rüdiger Kniep. Das allgemeine Prinzip, das dahinter steckt: Winzige Mineralkristalle und organische Makromoleküle bilden so genannte Komposite, die ganz andere Materialeigenschaften haben können als die Ausgangsverbindungen.
Knochen bestehen beispielsweise aus Apatit und dem Eiweiß Kollagen. Letzteres bildet etwa 300 Nanometer lange, fadenförmige Moleküle, von denen sich jeweils drei zu Helices verdrehen. In dieser organischen Matrix liegen winzige Apatitkristalle. Es handelt sich dabei um 2 bis 4 Nanometer dünne Plättchen, die parallel zu den Kollagenhelices angeordnet sind. So entstehen mineralisierte Fasern (Fibrillen), die einige 10 Mikrometer (Millionstel Meter) lang sind. „Chemiker würden dies als Verbundwerkstoff bezeichnen“, sagt Rüdiger Kniep. Wie der Körper Knochen und Zähne aus mineralischen Kristallen und organischen Makromolekülen produziert, ist allerdings weitgehend unklar.
