{"id":370868,"date":"2022-04-29T13:37:44","date_gmt":"2022-04-29T11:37:44","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?post_type=selected&p=370868"},"modified":"2022-04-29T13:37:44","modified_gmt":"2022-04-29T11:37:44","slug":"knochen-gebaut-wie-spannbeton","status":"publish","type":"selected","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/selected\/knochen-gebaut-wie-spannbeton\/","title":{"rendered":"Knochen, gebaut wie Spannbeton"},"content":{"rendered":"\n

Was Ingenieure erst vor etwa 100 Jahren erfunden haben, nutzt die Natur schon so lange es Wirbeltiere gibt. Denn so wie unter Zug stehende Stahldr\u00e4hte die Rissfestigkeit von Spannbeton erh\u00f6hen, werden auch Knochen besonders hart und fest, weil ihre Kollagenfasern durch eingelagerte mineralische Nanopartikel vorgespannt werden und sie diese Spannung auf die Partikel \u00fcbertragen. Ein Team des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Kolloid- und Grenzfl\u00e4chenforschung hat nun beobachtet, dass nicht nur Hydroxyapatit, der den mineralischen Bestandteil von Knochen bildet, eine Vorspannung erzeugt, sondern auch andere Minerale mit anderen Kristallstrukturen. Au\u00dferdem haben die Forschenden erstmals gewisserma\u00dfen live verfolgt, wie sich die Spannung im Kollagen und in den Mineralpartikeln aufbaut, wenn sich diese in den Proteinfasern einlagern. Die Erkenntnisse k\u00f6nnten sich unter anderem nutzen lassen, um Hybridmaterialien auf der Basis von Kollagen etwa f\u00fcr medizinische Anwendungen zu entwickeln, so Max-Planck Gesellschaft in einer Pressemeldung<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Am Anfang stand eine l\u00e4stige Schwierigkeit bei einem Experiment: Hang Ping, Gastwissenschaftler am Max-Planck-Institut f\u00fcr Kolloid- und Grenzfl\u00e4chenforschung, wollte untersuchen, ob sich Hydroxyapatit und andere Minerale im Labor in Kollagen einlagern. Zu dem Zweck fixierte er St\u00fccke von Sehnen, die zum gro\u00dfen Teil aus Kollagen bestehen, mit zwei Klebestreifen auf Glaspl\u00e4ttchen. Doch w\u00e4hrend die Minerale aus einer L\u00f6sung in die Proteinb\u00fcndel wanderten, zog sich die Sehne unter dem Klebeband hervor \u2013 bei jedem Versuch. Das war aber nicht nur hinderlich f\u00fcr das Experiment, sondern auch r\u00e4tselhaft. Eine spannende Forschungsfrage, da war sich Hang Ping mit Wolfgang Wagermaier, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut f\u00fcr Kolloid- und Grenzfl\u00e4chenforschung, und Peter Fratzl, Direktor an dem Potsdamer Institut, schnell einig.<\/p>\n\n\n\n

Eine Zugspannung, 100 Mal st\u00e4rker als Muskelkraft<\/h3>\n\n\n\n

Als die Forschenden das Problem daraufhin systematisch angingen, stellten sie fest, dass die Sehne und auch die eingebetteten Mineralpartikel tats\u00e4chlich unter Spannung standen, nachdem sich Mineralpartikel in die B\u00fcndel der Kollagenfasern eingelagert hatten. Und der Zug war immens: Mit 100 Kilogramm pro Quadratzentimeter war seine Kraft rund 100 Mal gr\u00f6\u00dfer als die Kraft von Muskeln. Den Effekt nutzen Ingenieure im Spannbeton etwa f\u00fcr Br\u00fccken aus und offenbar tr\u00e4gt er auch dazu bei, Knochen ihre besondere H\u00e4rte und Festigkeit zu geben. Jetzt hat das Team ihn noch umfassender untersucht. Dabei stellten Hang Ping und seine Kollegen fest, dass Kollagen auch unter Zugspannung ger\u00e4t, wenn sich in seinen Fasern Nanokristalle anderer Minerale aufbauen, und dass diese dann auch vorgespannt werden. \u201eDas ist \u00fcberraschend, weil der Effekt auch bei Mineralen mit anderen Kristallstrukturen als der von Hydroxyapatit auftrat\u201c, sagt Wolfgang Wagermaier. \u201eEs w\u00e4re naheliegend gewesen, dass das nur bei der besonderen Konstellation von Kollagen und Hydroxyapatit funktioniert. Aber offenbar handelt es sich um ein universelles Prinzip.\u201c<\/p>\n\n\n\n

In ihrer aktuellen Arbeit stellten die Forschenden aber nicht nur die Universalit\u00e4t des Effekts fest, sondern verfolgten auch live, wie sich die Spannung allm\u00e4hlich aufbaute, w\u00e4hrend die Nanokristalle in den Kollagenfasern wuchsen. \u201eSolche in-operando-Untersuchungen sind experimentell ziemlich anspruchsvoll\u201c, sagt Wolfgang Wagermaier. Das Team verwendete daher einen speziellen Versuchsaufbau und beobachtete den Prozess an der besonders leistungsstarken R\u00f6ntgenquelle des Synchrotron Bessy II in Berlin-Adlershof. Und nachdem das Zusammenspiel von Kollagen und Mineralen die Vorspannung erzeugt hatte, erhitzten die Forschenden das Verbundmaterial, um es zu entspannen. Damit erbrachte das Team den Beweis, dass die Vorspannung tats\u00e4chlich durch die Mineralisation entsteht.<\/p>\n\n\n\n

Ein Bauplan f\u00fcr neue Materialien und ein besseres Verst\u00e4ndnis von Knochenkrankheiten<\/h3>\n\n\n\n

\u201eDieser universelle Mechanismus der Mineralisation von organischen Fasergeweben k\u00f6nnte auf technische Hybridmaterialien \u00fcbertragen werden, um dort beispielsweise eine hohe Bruchfestigkeit zu erreichen,\u201c sagt Peter Fratzl. So k\u00f6nnten sich nach dem Bauplan von Knochen gezielt Verbundmaterialien aus Kollagen und mineralischen Nanopartikeln etwa f\u00fcr Implantate entwickeln lassen. M\u00f6glicherweise k\u00f6nnte eine Mineralisation aber auch synthetische Polymere festigen, wenn diese \u00e4hnlich strukturiert sind wie Kollagen. Die Erkenntnisse des Potsdamer Teams sind aber nicht nur f\u00fcr das Design neuer Materialien relevant: \u201eAuch aus medizinischer beziehungsweise biologischer Sicht ist es interessant zu verstehen, was beim Prozess der Mineralisation in Knochen passiert,\u201c sagt Wolfgang Wagermaier. \u201eViele Knochenkrankheiten gehen mit Ver\u00e4nderungen des Mineralgehalts in Knochen und dadurch ver\u00e4nderten Eigenschaften einher.\u201c Besser zu verstehen, wie die Mineralisation die Eigenschaften von Knochen beeinflusst, k\u00f6nnte daher auch neue Ansatzpunkte f\u00fcr Therapien von Knochenkrankheiten wie Osteoporose liefern. Dann lassen sich br\u00fcchige Knochen eines Tages vielleicht genauso sanieren wie altersschwache Br\u00fccken.<\/p>\n\n\n

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3D-Druck-Technologie zur nat\u00fcrlichen Regeneration von besch\u00e4digten Knochen<\/div>
Stefan Baudis will die nat\u00fcrliche Regeneration von besch\u00e4digten Knochen mit einem Knochenersatz aus dem 3D-Drucker erm\u00f6glichen. <\/div><\/div><\/div>","protected":false},"author":2084,"featured_media":370870,"template":"","meta":{"_acf_changed":false,"advgb_blocks_editor_width":"","advgb_blocks_columns_visual_guide":""},"categories":[25213],"tags":[109138,131818,109021,131821],"location":[24328],"internal_archives":[],"class_list":["post-370868","selected","type-selected","status-publish","has-post-thumbnail","hentry","category-nachhaltigkeit-de","tag-chemie-de","tag-kollagen-de","tag-max-planck-gesellschaft-de","tag-spannbeton-de","location-deutschland"],"blocksy_meta":[],"acf":[],"featured_img":false,"coauthors":[],"author_meta":{"author_link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/author\/mauro-mereu\/","display_name":"Mauro Mereu"},"relative_dates":{"created":"Posted 4 years ago","modified":"Updated 4 years ago"},"absolute_dates":{"created":"Posted on April 29, 2022","modified":"Updated on April 29, 2022"},"absolute_dates_time":{"created":"Posted on April 29, 2022 1:37 pm","modified":"Updated on April 29, 2022 1:37 pm"},"featured_img_caption":"","tax_additional":{"category":{"linked":["Nachhaltigkeit<\/a>"],"unlinked":["Nachhaltigkeit<\/span>"],"slug":"category","name":"Categories"},"post_tag":{"linked":["chemie<\/a>","kollagen<\/a>","Max-Planck-Gesellschaft<\/a>","spannbeton<\/a>"],"unlinked":["chemie<\/span>","kollagen<\/span>","Max-Planck-Gesellschaft<\/span>","spannbeton<\/span>"],"slug":"post_tag","name":"Tags"},"language":{"linked":["DE<\/a>"],"unlinked":["DE<\/span>"],"slug":"language","name":"Tags"},"post_translations":{"linked":["pll_626b925f7d8bb<\/a>"],"unlinked":["pll_626b925f7d8bb<\/span>"],"slug":"post_translations","name":""},"location":{"linked":["Deutschland<\/a>"],"unlinked":["Deutschland<\/span>"],"slug":"location","name":"Locations"},"internal_archives":{"linked":[],"unlinked":[],"slug":"internal_archives","name":"Internal Archives"}},"series_order":"","_links":{"self":[{"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/selected\/370868","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/selected"}],"about":[{"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/types\/selected"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/users\/2084"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=370868"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=370868"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=370868"},{"taxonomy":"location","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/location?post=370868"},{"taxonomy":"internal_archives","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/internal_archives?post=370868"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}