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© Jean-Baptiste Forien, Charité – Universitätsmedizin Berlin
Biostruktur des Dentins: Tubuli (gelbe Hohlzylinder, etwa 1 Mikrometer im Durchmesser) sind von einem Gewebe aus Kollagenfasern umgeben, in das auch die winzigen mineralischen Nanopartikel eingebettet sind – angespannt links, entspannt rechts.
 
Zahnheilkunde 12. August 2015

Dentin: Auf die inneren Werte kommt es an

Einem interdisziplinären Team um Forscher der Charité-Universitätsmedizin Berlin ist es gelungen, die Biostruktur der Zahnsubstanz Dentin und deren innere Mechanismen zu entschlüsseln.

Dentin kann zwar im Gegensatz zu Knochen Risse und Brüche weder reparieren noch heilen, es gilt allerdings als eines der beständigsten organischen Materialien. Erstmals konnten Wissenschaftler nun zeigen, wie innere Spannungen im Dentin dafür sorgen, dass Schäden nicht entstehen oder begrenzt bleiben.

Zähne halten im Idealfall ein Leben lang, auch wenn sie täglich enormen Kräften ausgesetzt sind. Bislang war unklar, warum das Dentin, eine knochenähnliche Substanz, die den eigentlichen Zahn bildet, so überaus belastbar ist. Ein Forscherteam um Prof. Dr. Paul Zaslansky am Julius Wolff Institut (JWI) der Charité hat nun die Nanostrukturen von Dentin analysiert. Was zur Widerstandskraft gesunder Zähne führt, ist in der Fachzeitschrift Nano Letters* veröffentlicht.

Innere Spannung erhöht die Belastbarkeit

Mineralische Nanopartikel sind demnach in ein dichtes Netz aus Kollagenfasern eingebettet. Ziehen sich diese Strukturen zusammen, werden die Mineralteilchen komprimiert. Die dabei entstehenden inneren Spannungen erhöhen die Belastbarkeit der Biostruktur.

Einblick in die winzigen Strukturen haben die Forscher durch die Arbeit an wissenschaftlichen Großgeräten erhalten, die hochbrillante Strahlung von Tetrahertz- bis in den Röntgenbereich erzeugen: die Synchrotronquelle BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie und die ESRF – European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble.

BESSY II: Femtosekunden auf Picometerskala.

Um Strukturen und Prozesse in Materialien zu untersuchen, betreibt das HZB neben der Neutronenquelle BER II auch die Hochbrillanz-Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II in Adlershof bei Berlin. BESSY II (Berliner Elektronen-Speicherring Gesellschaft für Synchrotronstrahlung) liefert extrem brillante Photonenpulse von der langwelligen Terahertz-Region bis hin zur harten Röntgenstrahlung, wobei die Nutzer den Energiebereich und die Polarisation der Strahlung wählen können. Rund 50 Strahlrohre an Undulator-, Wiggler- und Dipolquellen bieten dem Nutzer eine facettenreiche Mixtur von Strahlrohren und Messplätzen mit exzellenter Energieauflösung. Die Kombination von Brillanz und Photonenpulsen machen BESSY II zu einem idealen Mikroskop für Raum und Zeit und ermöglichen Zeit- und Ortsauflösungen mit bis zu Femtosekunden auf Picometerskala.

Biostruktur des Dentins

Das Wissen um innere Vorspannungen wird in den Ingenieurwissenschaften bewusst eingesetzt, um Materialien für technische Anwendungen gezielt zu verstärken. Die Biologie kennt diesen Trick offenbar schon viel länger und wendet ihn in unseren Zähnen an. Um das Prinzip nachzuweisen, haben die Forscher die Feuchtigkeit in Dentinproben verändert. Die Messungen zeigen, wie die Spannung der Mineralpartikel zunimmt, wenn die Strukturfasern schrumpfen. „Dieser Mechanismus trägt dazu bei, das Entstehen von Rissen zu verhindern. Die Art und Weise der Kompression sorgt zudem dafür, dass die innersten Bereiche des Zahns und damit die empfindliche Pulpa weitgehend vor Schäden geschützt bleiben“, erklärt Zaslansky.

Anregungen für keramische Zahnfüllungen

Die Wissenschaftler stellten in weiteren Experimenten fest, dass die Verbindung zwischen Mineralpartikeln und Kollagenfasern durch Erhitzen geschwächt werden kann, wobei als Folge die Belastbarkeit von Dentin abnimmt.

„Wir glauben, dass die inneren Spannungen zwischen Mineralpartikeln und Kollagenfasern im Gleichgewicht sein müssen. Dieser Umstand ist unserer Meinung nach entscheidend für eine dauerhafte Belastbarkeit von Zähnen“, sagt Prof. Jean-Baptiste Forien, Erstautor der Studie.

Die neuen Erkenntnisse erklären auch, warum künstlicher Zahnersatz weniger belastbar ist als gesunde Zahnsubstanz: Die keramischen Materialien sind einfach zu „passiv“ gegenüber Belastung, da ihnen die inneren Mechanismen fehlen, die der natürlichen Zahnsubstanz zu Stabilität verhelfen. „Vielleicht liefern die Ergebnisse unserer Arbeit Anregungen für die Entwicklung belastbarer keramischer Materialien zur Zahnbehandlung oder als Zahnersatz“, hofft Zaslansky.

An der DFG-geförderten Untersuchung zur Nanostruktur des Dentins waren neben den Charité-Wissenschaftlern Teams der Technischen Universität Berlin, des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam und des Technion, dem Israel Institute of Technology in Haifa beteiligt.

 

* Originalpublikation:

Jean-Baptiste Forien, Claudia Fleck, Peter Cloetens, Georg Duda, Peter Fratzl, Emil Zolotoyabko, Paul Zaslansky. Compressive Residual Strains in Mineral Nanoparticles as a Possible Origin of Enhanced Crack Resistance in Human Tooth Dentin.

Nano Letters. 2015 May 29

HZB/Charite Berlin, Zahnarzt 7/8/2015

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