Es braucht schon einen Diamant-Bohrer mit 400.000 Umdrehungen pro Minute, erst dann kommt der Zahnarzt durch den Zahnschmelz durch. Doch warum sind unsere Beißer derart hart und haltbar? Für ein biologisches Material durchaus erstaunlich, meint Professor Gerold Schneider, Materialforscher an der Technischen Universität Hamburg-Harburg.
"Zähne sind den Keramiken äußerst nahe. Der grundlegende Unterschied ist, dass reine Keramiken wie Porzellan nur aus Keramik bestehen, während Zähne noch Proteine und Wasser enthalten und trotzdem so hart sind."
Um der Sache auf die Spur zu kommen, haben Schneider und sein Team Kuhzähne genommen und diversen Härtetests unterzogen.
"Materialwissenschaftler machen gern kaputt und gucken sich dann die Bruchflächen an: Wie bricht das Material? Wo läuft der Riss längs","
sagt Schneiders Kollegin Sabine Bechtle,
""für die mechanischen Tests haben wir Miniatur-Biegebalken aus der Zahnschmelz-Schicht hergestellt und mit Biegeapparaturen daran gemessen. Das ist ein kleiner Balken, der ist einen Zentimeter lang. Und dann drückt man von oben, bis es bricht."
Bei diesen Tests kam heraus, wie fest der Zahnschmelz im Makroskopischen ist, im Bereich von Zentimetern. Doch wie verhält er sich im Mikroskopischen, im Maßstab von Mikro- und Nanometern? Um das herauszufinden, traktierten die Forscher die Kuhzahn-Proben mit winzigen Diamantstempeln. Dabei maßen sie, wie viel Kraft nötig ist, um kleine und kleinste Dellen im Schmelz zu hinterlassen. Schneider:
"Wenn Sie auf Ihren Zahn beißen, möchten Sie das natürlich nicht. Sie würden gern haben, dass da keine Delle drin ist. Aber um zu verstehen, wann es die Delle gibt, müssen Sie die erzeugen."
Das Ergebnis: Im Nanomaßstab sind Zähne noch einmal deutlich härter als im Zentimeterbereich. Der Grund: Zahnschmelz hat eine hierarchische, eine in sich verschachtelte Struktur. Die kleinsten Bausteine sind Nanofasern aus einem Mineral namens Hydroxylapatit, zusammengeklebt durch Proteine. Mehrere dieser Nanofasern tun sich zu Bündeln zusammen und bilden Mikrofasern. Diese Mikrofasern wiederum formen ein korbähnliches Geflecht – den Zahnschmelz. Gerold Schneider vergleicht die Struktur mit einer Ziegelsteinwand, bei der bei genauem Hinsehen jeder Stein aus noch kleineren Ziegelsteinen besteht, zusammengehalten durch Mörtel.
"Obwohl dieses Modell sehr vereinfacht, hat es doch so viel Kraft, dass es die experimentellen Ergebnisse erstaunlich gut abbilden kann. Und jetzt sind wir an dem Punkt, wo wir Aussagen machen können, wie sich ein synthetisches Material verhalten würde, wenn wir so ein hierarchisches Material herstellen."
Konkret wollen die Forscher herausfinden, ob sich nach dem Bauplan des Zahnschmelzes auch neuartige keramische Werkstoffe entwickeln lassen. Dazu betten sie harte Nano- und Mikroteilchen aus Keramik ein in eine weiche Polymermasse. Sie dient – wie die Proteine im Zahn – als Kleber. Schneider:
"Ein Aspekt ist dabei, dass wir so ein Material wesentlich energiesparender erzeugen können, weil wir diese Polymermatrix bei 200 Grad verpressen können. Dagegen benötigt eine reine Keramik eine Ofentemperatur von 1000 bis 2000 Grad, damit sie brennt, wie man Porzellan brennt. Damit spart man auf jeden Fall Energie. Die simpelste Anwendung ist, dass man dadurch ein synthetisches Zahnschmelz-Material entwickeln kann."
Kronen und Brücken aus diesem synthetischen Zahnschmelz könnten von ihren Eigenschaften her besser zum natürlichen Gebiss passen als die heute verwendeten Keramiken. Geht das Kalkül auf, könnte man sich künftig vielleicht sogar manchen Zahnarztbesuch sparen.
"Zähne sind den Keramiken äußerst nahe. Der grundlegende Unterschied ist, dass reine Keramiken wie Porzellan nur aus Keramik bestehen, während Zähne noch Proteine und Wasser enthalten und trotzdem so hart sind."
Um der Sache auf die Spur zu kommen, haben Schneider und sein Team Kuhzähne genommen und diversen Härtetests unterzogen.
"Materialwissenschaftler machen gern kaputt und gucken sich dann die Bruchflächen an: Wie bricht das Material? Wo läuft der Riss längs","
sagt Schneiders Kollegin Sabine Bechtle,
""für die mechanischen Tests haben wir Miniatur-Biegebalken aus der Zahnschmelz-Schicht hergestellt und mit Biegeapparaturen daran gemessen. Das ist ein kleiner Balken, der ist einen Zentimeter lang. Und dann drückt man von oben, bis es bricht."
Bei diesen Tests kam heraus, wie fest der Zahnschmelz im Makroskopischen ist, im Bereich von Zentimetern. Doch wie verhält er sich im Mikroskopischen, im Maßstab von Mikro- und Nanometern? Um das herauszufinden, traktierten die Forscher die Kuhzahn-Proben mit winzigen Diamantstempeln. Dabei maßen sie, wie viel Kraft nötig ist, um kleine und kleinste Dellen im Schmelz zu hinterlassen. Schneider:
"Wenn Sie auf Ihren Zahn beißen, möchten Sie das natürlich nicht. Sie würden gern haben, dass da keine Delle drin ist. Aber um zu verstehen, wann es die Delle gibt, müssen Sie die erzeugen."
Das Ergebnis: Im Nanomaßstab sind Zähne noch einmal deutlich härter als im Zentimeterbereich. Der Grund: Zahnschmelz hat eine hierarchische, eine in sich verschachtelte Struktur. Die kleinsten Bausteine sind Nanofasern aus einem Mineral namens Hydroxylapatit, zusammengeklebt durch Proteine. Mehrere dieser Nanofasern tun sich zu Bündeln zusammen und bilden Mikrofasern. Diese Mikrofasern wiederum formen ein korbähnliches Geflecht – den Zahnschmelz. Gerold Schneider vergleicht die Struktur mit einer Ziegelsteinwand, bei der bei genauem Hinsehen jeder Stein aus noch kleineren Ziegelsteinen besteht, zusammengehalten durch Mörtel.
"Obwohl dieses Modell sehr vereinfacht, hat es doch so viel Kraft, dass es die experimentellen Ergebnisse erstaunlich gut abbilden kann. Und jetzt sind wir an dem Punkt, wo wir Aussagen machen können, wie sich ein synthetisches Material verhalten würde, wenn wir so ein hierarchisches Material herstellen."
Konkret wollen die Forscher herausfinden, ob sich nach dem Bauplan des Zahnschmelzes auch neuartige keramische Werkstoffe entwickeln lassen. Dazu betten sie harte Nano- und Mikroteilchen aus Keramik ein in eine weiche Polymermasse. Sie dient – wie die Proteine im Zahn – als Kleber. Schneider:
"Ein Aspekt ist dabei, dass wir so ein Material wesentlich energiesparender erzeugen können, weil wir diese Polymermatrix bei 200 Grad verpressen können. Dagegen benötigt eine reine Keramik eine Ofentemperatur von 1000 bis 2000 Grad, damit sie brennt, wie man Porzellan brennt. Damit spart man auf jeden Fall Energie. Die simpelste Anwendung ist, dass man dadurch ein synthetisches Zahnschmelz-Material entwickeln kann."
Kronen und Brücken aus diesem synthetischen Zahnschmelz könnten von ihren Eigenschaften her besser zum natürlichen Gebiss passen als die heute verwendeten Keramiken. Geht das Kalkül auf, könnte man sich künftig vielleicht sogar manchen Zahnarztbesuch sparen.