"Die Knochen haben im Verhältnis von Leistung oder Belastung zu Gewicht unikale Eigenschaften. Sie sind viel besser, viel stabiler als Stahl, als Beton."
Ivo Rangelow leitet die Arbeitsgruppe für Mikronanostrukturierung an der Universität Kassel. Zusammen mit Kollegen aus Kalifornien untersucht er die Struktur von Knochen. Das Ziel der Forscher: Sie wollen herausfinden, warum Knochen eigentlich so belastbar sind, aber manchmal dennoch brechen. Knochen bestehen zu 70 Prozent aus mineralischen Komponenten, insbesondere Calciumverbindungen. Die restlichen 30 Prozent sind organisch, es handelt sich zum größten Teil um das elastische Kollagen. In Form von hauchdünnen Eiweissfasern durchzieht es den Knochen. Sieht man sich Knochenmaterial unter dem Elektronenmikroskop an, erkennt man dickere Faserbündel. Diese werden von Kollagenfasern zusammengehalten, die mit mineralischem Calcium verstärkt sind. Was aber verleimt die brückenbauenden Kollagen-Fasern untereinander? Die Antwort suchen die Forscher auf der Nanoskala. Dabei hilft der Nanojet. Man kann ihn mit einem atomaren Hochdruckreiniger vergleichen. Mit einer winzigen Düse wird eine Knochenprobe mit zerstörerischen Radikalen abgespritzt. Rangelow:
"Nanojet erlaubt - ganz gezielt - die Oberfläche abzutragen, ganz sanft, ohne mechanische Belastung. Dadurch ist es möglich, die innere Struktur heil zu präparieren, unzerstört, undeformiert genau wie es ist, in Natur. Das ist mit anderen Techniken kaum möglich."
Im Nanojet-Labor zeigt Ivo Rangelow auf einen Kasten am Boden.
"Das ist der Mikrowellengenerator, genauso ein Generator, wie Sie ihn auch zu Hause benutzen, um Ihre Milch oder Wasser aufzuwärmen."
Die Mikrowellen brauchen die Forscher, um Radikale zu erzeugen. Rangelow:
"Und da ist der Mikrowellenkabel, hier ist die Mikrowellenkammer."
Die zylinderförmige Kammer leuchtet intensiv violett in dem abgedunkelten Labor. In diesem Plasmagenerator werden die chemisch aktiven Teilchen hergestellt, in diesem Fall Sauerstoff- und Fluoratome. Rangelow:
"Hier findet die Plasmaentladung statt, und dann werden die entstehenden Radikale weiter transportiert und treten in die Reaktorkammer ein. Und dort befindet sich das Präparat, wo wir lokal mit der Nanojetspitze arbeiten."
Das Präparat liegt in einem luftleeren Raum. In den strömen die Radikale vom Plasmagenerator durch die Nanojet-Düse. Die Düse ist unglaublich fein. Sie hat einen Innen-Durchmesser von hundert Nanometern, das ist ein Zehntausendstel eines Millimeters oder ein Tausendstel einer Haaresbreite. Rangelow:
"Das ist eine Glaskapillare, die wirklich sehr fein gezogen ist."
Bevor die Radikale auf eine Knochenprobe losgelassen werden, bedeckt eine unstrukturierte Masse die Oberfläche. Danach ist sie verschwunden. Daraus lässt sich schließen: Die Masse war organisch, vermutlich aus Eiweiss. Trifft der radikalische Sauerstoff nämlich organische Bestandteile des Knochens, wird dieses Material weggebrannt. Knochenbestandteile aus Calcium reagieren zwar auch mit den Radikalen, bleiben aber fest und können mit einem Rastermikroskop sichtbar gemacht werden. So kommen nach der Radikalkur mineralische Fasern zum Vorschein, die Ummantelungen der Kollagenstränge. Die Forscher gehen davon aus, dass es die weggebrannte Eiweissmasse ist, die die mineralverstärkten Kollagenfasern verleimt. Würde dieser Klebstoff geschädigt, könnten die Kollagenfasern kleine Bruchstellen nicht mehr so gut überbrücken. Je mehr man über den Klebstoff weiss, desto besser lässt sich verstehen, was beispielsweise bei Osteoporose, dem Knochenschwund, passiert. Auch für Materialwissenschaftler ist es spannend zu erforschen, was den Verbundwerkstoff Knochen zusammenhält. Rangelow:
"Die Knochen sind das beste Komposit, die uns die Natur geschenkt hat, worauf die ganze Zivilisation aufbaut. Und wir müssen uns natürlich überlegen, wie das funktioniert. Das heisst, die Geheimnisse der Natur zu knacken."
Ivo Rangelow leitet die Arbeitsgruppe für Mikronanostrukturierung an der Universität Kassel. Zusammen mit Kollegen aus Kalifornien untersucht er die Struktur von Knochen. Das Ziel der Forscher: Sie wollen herausfinden, warum Knochen eigentlich so belastbar sind, aber manchmal dennoch brechen. Knochen bestehen zu 70 Prozent aus mineralischen Komponenten, insbesondere Calciumverbindungen. Die restlichen 30 Prozent sind organisch, es handelt sich zum größten Teil um das elastische Kollagen. In Form von hauchdünnen Eiweissfasern durchzieht es den Knochen. Sieht man sich Knochenmaterial unter dem Elektronenmikroskop an, erkennt man dickere Faserbündel. Diese werden von Kollagenfasern zusammengehalten, die mit mineralischem Calcium verstärkt sind. Was aber verleimt die brückenbauenden Kollagen-Fasern untereinander? Die Antwort suchen die Forscher auf der Nanoskala. Dabei hilft der Nanojet. Man kann ihn mit einem atomaren Hochdruckreiniger vergleichen. Mit einer winzigen Düse wird eine Knochenprobe mit zerstörerischen Radikalen abgespritzt. Rangelow:
"Nanojet erlaubt - ganz gezielt - die Oberfläche abzutragen, ganz sanft, ohne mechanische Belastung. Dadurch ist es möglich, die innere Struktur heil zu präparieren, unzerstört, undeformiert genau wie es ist, in Natur. Das ist mit anderen Techniken kaum möglich."
Im Nanojet-Labor zeigt Ivo Rangelow auf einen Kasten am Boden.
"Das ist der Mikrowellengenerator, genauso ein Generator, wie Sie ihn auch zu Hause benutzen, um Ihre Milch oder Wasser aufzuwärmen."
Die Mikrowellen brauchen die Forscher, um Radikale zu erzeugen. Rangelow:
"Und da ist der Mikrowellenkabel, hier ist die Mikrowellenkammer."
Die zylinderförmige Kammer leuchtet intensiv violett in dem abgedunkelten Labor. In diesem Plasmagenerator werden die chemisch aktiven Teilchen hergestellt, in diesem Fall Sauerstoff- und Fluoratome. Rangelow:
"Hier findet die Plasmaentladung statt, und dann werden die entstehenden Radikale weiter transportiert und treten in die Reaktorkammer ein. Und dort befindet sich das Präparat, wo wir lokal mit der Nanojetspitze arbeiten."
Das Präparat liegt in einem luftleeren Raum. In den strömen die Radikale vom Plasmagenerator durch die Nanojet-Düse. Die Düse ist unglaublich fein. Sie hat einen Innen-Durchmesser von hundert Nanometern, das ist ein Zehntausendstel eines Millimeters oder ein Tausendstel einer Haaresbreite. Rangelow:
"Das ist eine Glaskapillare, die wirklich sehr fein gezogen ist."
Bevor die Radikale auf eine Knochenprobe losgelassen werden, bedeckt eine unstrukturierte Masse die Oberfläche. Danach ist sie verschwunden. Daraus lässt sich schließen: Die Masse war organisch, vermutlich aus Eiweiss. Trifft der radikalische Sauerstoff nämlich organische Bestandteile des Knochens, wird dieses Material weggebrannt. Knochenbestandteile aus Calcium reagieren zwar auch mit den Radikalen, bleiben aber fest und können mit einem Rastermikroskop sichtbar gemacht werden. So kommen nach der Radikalkur mineralische Fasern zum Vorschein, die Ummantelungen der Kollagenstränge. Die Forscher gehen davon aus, dass es die weggebrannte Eiweissmasse ist, die die mineralverstärkten Kollagenfasern verleimt. Würde dieser Klebstoff geschädigt, könnten die Kollagenfasern kleine Bruchstellen nicht mehr so gut überbrücken. Je mehr man über den Klebstoff weiss, desto besser lässt sich verstehen, was beispielsweise bei Osteoporose, dem Knochenschwund, passiert. Auch für Materialwissenschaftler ist es spannend zu erforschen, was den Verbundwerkstoff Knochen zusammenhält. Rangelow:
"Die Knochen sind das beste Komposit, die uns die Natur geschenkt hat, worauf die ganze Zivilisation aufbaut. Und wir müssen uns natürlich überlegen, wie das funktioniert. Das heisst, die Geheimnisse der Natur zu knacken."