SENDETERMIN So, 26.01.14 | 17:00 Uhr

Zahnschmelz - Härte alleine ist nicht alles

PlayMit einer Pinzette wird ein Zahn hochgehalten.
Zahnschmelz - Härte alleine ist nicht alles | Video verfügbar bis 25.01.2019 | Bild: WDR
 Zwei Forscher diskutieren über eine Mikroskopaufnahme
Materialforscher untersuchen Risse im Zahnschmelz. | Bild: WDR

Der Zahnschmelz, die millimeterdicke oberste Schicht menschlicher Zähne, ist das härteste Material, das der Körper herstellt. Im Vergleich zu vielen anderen Stoffen sind Zähne aber allenfalls mittelhart, so ist Diamant rund 20.000 Mal härter. Trotzdem interessiert sich die Materialforschung für die Zusammensetzung und Mikrostruktur des Zahnschmelzes. Denn Härte allein ist nicht alles. Zähne sind leicht, fest und vor allem: schadensresistent.

Das Geheimnis: Fest aber nicht spröde

Zahnschmelzstäbchen in einer Biegeapparatur
Zahnschmelz ist hart und schadensresistent. | Bild: WDR

Am Institut für Keramische Hochleistungswerkstoffe der Technischen Universität Hamburg-Harburg wollten Materialforscher das Geheimnis des Zahnschmelzes entschlüsseln. Sie suchen nach neuen industriellen Werkstoffe, die leicht und fest sind, aber nicht spröde. Denn das ist das Handicap vieler herkömmlicher Materialen: Keramiken zum Beispiel sind meist sehr hart. Doch wenn sie beschädigt werden, zerbrechen sie schlagartig. Das weiß jeder, dem schon einmal eine Tasse oder ein Teller aus Porzellan heruntergefallen ist.

Zähne zerbrechen nur unter extremen Bedingungen und hohen Kräften. Das beobachten auch die Forscher an der TU Hamburg-Harburg. Sie sägen winzige Stäbchen aus dem Schmelz von Menschen- und Kuhzähnen heraus und spannen sie in eine spezielle Biegeapparatur. Nach und nach wird die Probe belastet und bricht schließlich unter der Belastung. Doch der Zahnschmelzstab ist nicht komplett durchtrennt, sondern nur angebrochen. Im Gegensatz zu eine herkömmlichen Keramik hat das Material nicht vollständig versagt, es ist nicht sehr spröde.

Wie Spaghetti in der Packung

Elektronenmikroskopaufnahme eines Bündels aus Kristallfasern.
Kristallfasern liegen in Bündeln zusammen. | Bild: TUHH

Wie schafft es die Natur, den Zahnschmelz so fehlertolerant zu konstruieren? Das haben die Forscher im Elektronenmikroskop herausgefunden. Ihnen offenbarte sich eine faszinierende, komplexe Struktur. Schon auf der Oberfläche des scheinbar glatten Zahns entdeckten sie regelmäßige Bänder, die in unterschiedliche Richtungen laufen. Bei stärkerer Vergrößerung wird offenbar, dass diese Bänder aus länglichen Stäben zu bestehen scheinen. Ein genauerer Blick verrät: Jeder dieser Stäbe besteht wiederum aus einem Bündel von Kristallfasern. Sie liegen eng gedrängt - wie Spaghetti in der Packung. Diese Fasern, jede von ihnen gerade einmal 50 Nanometer also 50 Millionstel Millimeter dick, bestehen aus so genanntem Hydroxylapatit, einem Kristall, das Kalzium und Phosphor enthält. Die einzelnen Kristallfasern im Zahnschmelz sind umschlossen von einer hauchdünnen Schicht aus Eiweiß.

Die Bilder aus dem Elektronenmikroskop offenbaren etwas, das die Forscher eine selbstähnliche, hierarchische Struktur nennen. Das kennen sie von künstlichen Werkstoffen praktisch nicht. Wenn man ein Stück Metall oder Keramik unter dem Elektronenmikroskop betrachtet, zeigt das Material kaum ein Struktur. In seinem komplexen verwobenen Aufbau muss das Geheimnis des Zahnschmelzes liegen.

Faserbündel gegen Risse

Elektronenmikroskopaufnahme eines Risses im Zahnschmelz
Die verwobene Kristallstruktur bremst Risse. | Bild: TUHH

Um zu verstehen, welche Beitrag die verwobenen Strukturen zur Härte und Fehlertoleranz des Zahns beitragen, machten die Materialforscher auch Biegeversuche auf der Mikroebene. Mit einem Ionenstrahl ätzten sie winzige Streifen in verschiedenen Größen aus dem Zahnschmelz - die kleinsten gerade einmal zwei Mikrometer dick, also zwei Tausendstel Millimeter. Das ist etwa die Dicke eines Faserbündels. Mit einer winzigen Spitze drückten sie die Streifen mit immer größerer Kraft - bis zum Bruch. Das Ergebnis: Die einzelnen Faserbündel sind härter als das Gesamtgewebe, zu dem sie beitragen. Sie sind allerdings auch spröder und nicht so fehlertolerant, d.h. auf der Mikroebene verhält sich der Zahnschmelz eher wie eine gewöhnliche Keramik.

Warum das so ist entdeckten die Wissenschaftler als sie die abgeknickten Mikrostreifen genau untersuchten. Wie bei einer solchen Belastung zu erwarten, zeigten sich Risse im Material. Doch die laufen nicht gerade durch das Material, sondern werden, an den Grenzen der Kristallbänder abgelenkt, verzweigen und verästeln sich und pflanzen sich schließlich nicht mehr weiter fort. Immer wieder entdeckten die Forscher auch Stellen, an denen einzelne Faserbündel ein Weiterreißen des Zahnschmelzes verhindern. Es ist ein faszinierender Trick: Aus vielen harten aber spröden Einzelteilen, den einzelnen Kristallfasern aus Hydroxylapatit, setzt die Natur etwas zusammen, das zwar nicht mehr ganz so hart, dafür aber fehlertoleranter und schadensresistent ist.

Werkstoffe nach Vorbild der Natur

Das Geheimnis des Zahnschmelzes zu entschlüsseln ist die eine Sache, dieses Erfolgsrezept zu kopieren eine ganz andere. Zwar ähnelt die verwobene Struktur den Karbonfasern, die im Flugzeugbau oder bei Formel-1-Autos eingesetzt werden - das Zahnmaterial ist aber noch viel komplexer und feinmaschiger. Die Idee der Hamburger Forscher: Sie wollen winzige Bausteine dazu bringen, sich von selbst zu einem komplexen Werkstoff zusammenzufügen. In einem ersten Schritt versuchen sie, zumindest eine einheitliche Schichtung aus Aluminiumoxidplättchen hinzubekommen. Wo beim Zahnschmelz eine dünne Eiweißschicht um die Fasern liegt, ist es hier ein spezielles Polyesterharz. Doch die ersten Ergebnisse sind bislang ernüchternd. Unter dem Mikroskop sieht das künstliche Material noch lange nicht so schön gleichmäßig strukturiert aus wie Zahnschmelz. Und auch von dessen Festigkeit ist es noch weit entfernt. Wenn man nicht aufpasst, zerbröselt es in der Hand.

Autor: Daniel Münter (WDR)

Stand: 28.01.2014 09:20 Uhr