Wie Forscher die Tricks der Natur entschlüsseln

Die Materialbausteine der Natur lassen sich in wenige weiche und harte Sorten unterscheiden. Die weichen Bausteine sind überwiegend Polymere. Das sind lange Molekülketten, deren Kettenglieder sich wie Perlen wiederholen. Dazu zählen Proteine wie Kollagen in Tieren oder Zucker wie Cellulose in Pflanzen. Die langen Kollagenmoleküle verschrauben sich zu einer dreifachen Helix, diese verzwirbelt sich weiter zu einer Art Molekülseil. Ein Bündel daraus bildet schließlich eine Kollagenfaser. Dieser „hierarchische Aufbau“ ist typisch für Biomaterialien und sorgt für die Festigkeit des Bindegewebes. Eine ähnliche Rolle spielt die Cellulose in Pflanzenzellen. Die harten Werkstoffe der Natur sind die Biomineralien. Sie können nahezu perfekte, kleine Kristalle bilden, zum Beispiel das Calciumphosphat in Knochen oder Zähnen oder das Calciumcarbonat in Muschelschalen.

Knochen, immer im Umbau begriffen

Knochen sind das Forschungsobjekt von Richard Weinkamers Gruppe „Mechanobiologie“. Wenn es um Knochen geht, ist der österreichische Physiker quasi ein Erbe Galileo Galileis. Als Theoretiker versucht er, ihre mechanischen Eigenschaften mit Computersimulationen zu verstehen und so von der Natur zu lernen. Um die vielen verschiedenen Belastungen im Alltag auszuhalten, sind zum Beispiel die langen Knochen in Armen und Beinen raffiniert aufgebaut. Grundsätzlich ist bei gleichem Materialeinsatz ein hohles Rohr viel stabiler gegen Knicken als ein dünnerer, gefüllter Stab. Deshalb ist Bambusrohr leicht und doch stabil. Diesem Leichtbauprinzip gehorchen auch die langen Röhrenknochen. Sie bilden ebenfalls ein hohles Rohr aus dem sehr festen Knochengewebe. Innen sind sie mit weichem Knochenmark gefüllt, das für die Blutbildung wichtig ist. Die Knochenenden weiten sich zu kugeligen Formen auf. Beim Oberschenkelknochen sitzt zum Beispiel oben die Kugel für das Hüftgelenk.

Besonders die Gelenkteile müssen starken mechanischen Stress aus allen Richtungen aushalten. Aus diesem Grund sind sie innen mit einer Art Leichtbaugitter gefüllt. Es besteht aus Knochenbälkchen, „Trabekeln“, die so etwas wie einen „Hartschaum“ bilden. Schon im 19. Jahrhundert erkannten Forscher, dass die Trabekel wie ein Tragwerk funktionieren. Sie berechneten die Hauptkräfte, die ihrer Meinung nach auf den Knochen wirken. Und tatsächlich fanden sie in den Bälkchen gebogene Pfade, die diesen Kraftlinien wie Speichen folgten. Doch diese Erkenntnis führt auch leicht in die Irre. Tatsächlich ist die Schwammstruktur wesentlich komplexer als zum Beispiel die Gitterkonstruktion des berühmten Eiffelturms. Diese ist typisch für das Ingenieursdenken, mit dem die Wissenschaft vor über hundert Jahren Knochen betrachtete. Der Eiffelturm musste so konstruiert werden, dass er sich gegen die Erdanziehung aufrecht hält und im Sturm nicht umfällt. An einem Knochen wirken aber Kräfte aus erheblich mehr Richtungen, etwa beim Sport. Zudem passt sich der Knochen aktiv den Lebensumständen an – wie ein Muskel. Das gilt besonders für die innere „Verspannung“ durch die Knochenbälkchen. Wer sich viel bewegt, trainiert auch seine Knochen. Die Skelette römischer Gladiatoren verraten deshalb, wofür sie ausgebildet wurden. So weisen besonders lange, kräftige Armknochen auf Schwertkämpfer hin.

„Knochen wird dort angebaut, wo er mechanisch nötig ist“, sagt Weinkamer, „und anderswo abgebaut.“ Der Körper muss eben sparsam mit seinen begrenzten Ressourcen umgehen. Zuständig für diese Bautätigkeit sind die Knochenzellen. Sie leben an den Oberflächen des Knochens und in einem feinen System aus kleinen Höhlen und Verbindungskanälen im Knochengewebe. Ihre Wirkung kann man sich wie kleine Computerspielfiguren vorstellen: Emsig schaffen sie Baumaterial dorthin, wo es gebraucht wird, und tragen Material an überflüssigen Stellen ab. In einem gesunden Knochen „spüren“ die Zellen, wie sie das Knochenwachstum steuern müssen.

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Abb. B: Vom Kollagen zum Knochen

Wie diese faszinierende Selbstorganisation genau funktioniert, ist noch unklar. Die Max-Planck-Forscher wollen mehr darüber wissen und natürlich Ideen für ganz neue, intelligente Materialien gewinnen. Sie arbeiten zudem mit der medizinischen Forschung an der Charité in Berlin zusammen. Im Fokus stehen Knochenkrankheiten wie die Osteoporose. Dabei nimmt die Zahl der Trabekel ab. Den Abbau versucht der kranke Knochen dadurch auszugleichen, dass er die Knochenbälkchen in den normalen Kraftrichtungen verstärkt. Aus Materialnot baut er weniger genutzte Bälkchen ab. „Bei normalen Belastungen geht das zum Beispiel bei Rückenwirbeln gut“, erklärt Weinkamer, „aber bei ungewöhnlichen Belastungen wie der Vermeidung eines Sturzes brechen sie.“

Unter Osteoporose leiden vor allem ältere Menschen. Die Glasknochen-Krankheit trifft aber auch schon Kinder. Dieser genetische Defekt bietet ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie der Körper versucht, ein Manko auszugleichen. Knochen sind ein Verbundmaterial. In ein Geflecht aus zähen Kollagenmolekülen lagern die Knochenzellen harte Kristalle aus Calciumverbindungen ein (Abb. B). Der Verbund aus beiden Materialsorten macht Knochen steif und zugleich zäh, also widerstandsfähig gegen Bruch. „Bei der Glasknochenkrankheit vermutet man einen Fehler in den Kollagenmolekülen“, erklärt Weinkamer. Diese Schwäche versucht der Körper wahrscheinlich auszugleichen, indem er mehr Kristalle in die Knochen einbaut. Das „Härten“ macht die Knochen aber spröde, weil die Elastizität des Kollagengeflechts fehlt.

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