26.07.2005 · Knochen sind nicht für die Ewigkeit bestimmt, meist geben sie aber ein Leben lang Halt. Dabei sind sie sehr großen Anforderungen ausgesetzt. Ein ausgeklügelter Mechanismus im Knochen verleiht dem Skelett aber große Stabilität.
Von Markus Breidenich
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Das menschliche Skelett hat schwer zu tragen
Knochen sind zwar nicht für die Ewigkeit bestimmt, aber meist geben sie doch ein Leben lang Halt. Dabei sind sie recht großen Anforderungen ausgesetzt. Einerseits sollen Knochen stabil sein, um die Last des Körpers und oftmals weitaus mehr Gewicht tragen zu können. Andererseits dürfen sie nicht zu spröde sein, damit Brüche vermieden werden. Aus diesem Grund sind sie nicht ausschließlich aus dem harten Mineral Hydroxyapatit aufgebaut, das aus Kalzium und Phosphat besteht, sondern zusätzlich aus elastischen Kollagenfasern.
Bislang war allerdings weitgehend unbekannt, was die Fasern fest zusammenhält. Wissenschaftler von der University of California in Santa Barbara und von der Universität Rio de Janeiro sind der Frage nun nachgegangen. Dabei haben sie eine Art Kleber entdeckt, der den Knochen einerseits Stabilität verleiht, andererseits die notwendige Flexibilität garantiert.
Eine ausgeklügelte Architektur
Ein Knochen ist im Prinzip das, was der Ingenieur als Verbundmaterial bezeichnet: Verschiedene Substanzen, die jeweils eine gegensätzliche Eigenschaft erfüllen, sind zu einem einzigen Material verknüpft. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Art und Weise, wie die Komponenten miteinander verbunden sind. Die Natur bedient sich hier einer ausgeklügelten Architektur: Das harte Hydroxyapatit ist in Form winziger Kristalle in die biegsamen Kollagenfasern eingelagert.
Betrachtet man sich das Knochenmaterial mit einem Elektronenmikroskop, so erkennt man, daß die Kollagenfasern über Querverstrebungen miteinander verbunden sind. Offenbar dienen die Verstrebungen dazu, benachbarte Kollagenfasern zusammenzuhalten. Dieses Konstruktionsprinzip haben die Forscher aus Kalifornien und Rio de Janeiro genauer untersucht, indem sie es einem Belastungstest im Mikrometer-Maßstab unterzogen. Dabei zogen sie in einer kalzium- und natriumhaltigen Salzlösung zwei winzige benachbarte Stückchen eines Säugetierknochens einige Mikrometer auseinander und maßen, welche Kräfte dafür aufzuwenden waren. Den Spalt, der sich zwischen den Knochenfasern bildete, betrachteten sie währenddessen unter dem Mikroskop.
Gekochte Spaghetti
Die Forscher konnten bei ihren Belastungstests elastische Fäden erkennen. Wie sie in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift „Nature Materials“ berichten, handelt es sich dabei offenbar um langkettige Polymere, die ohne äußere Belastung ähnlich wie gekochte Spaghetti, die zu lange auf dem Teller liegen, an bestimmten Stellen verklebt sind. Wurde an dem Polymerknäuel gezogen, so begann es sich zu entwirren.
Dabei brachen die Verbindungsstellen, die offenbar als Sollbruchstellen dienen, zwischen den Fasern auf. Der Vorteil der Spagetti-Konstruktion: die Knochenfasern werden bei plötzlicher Belastung nicht abrupt auseinandergerissen, sondern bleiben unter hohen Zugkräften auch über größere Entfernungen miteinander verbunden. Die Polymerknäuel in den Querverstrebungen dienen dabei gewissermaßen als Reserveleine.
Wie die Schale einer Meeresschnecke
Als die Forscher bei ihren Belastungstests die Zugkräfte nach und nach verringerten, kehrten die Polymere aus der gestreckten Struktur wieder in die geknäuelte Form zurück, und die Polymerfasern begannen wieder zu verkleben. Nur bei zu starker Belastung reißen die Polymerketten. Die Kollagenfasern haben dann keinen Kontakt mehr, der Knochen verliert seine Elastizität und bricht.
Der polymere Kleber zwischen den Kollagenfasern ist den Wissenschaftlern nicht zum ersten Mal begegnet. Eine ähnliche Struktur fanden sie bereits vor sechs Jahren. Allerdings nicht in Knochen, sondern in der Schale einer Meeresschnecke namens Meerohr. Um Elastizität und Härte miteinander zu vereinen, bedient sich die Natur also in völlig verschiedenen Organismen des gleichen Prinzips.
