Unter der Nanolupe: Wie die Natur die Zähne hart macht

Den Zusammenbau organischer und anorganischer Substanzen in Zähnen und Knochen macht eine tomographische Atomsonde erstmals Atom für Atom sichtbar

Nanoblick auf Schneckenzähne
Nanoblick auf Schneckenzähne

Evanston (USA) - Zähne sind komplex aufgebaut - doch wenig war bisher bekannt darüber, wie die Atome auf unterster Ebene zusammengesetzt sind und wie dies die Zähne hart und stabil macht. Jetzt griffen US-Forscher zu einer fünfzig Jahre alten Methode - der Atomsondentomographie - und erstellten erstmals eine dreidimensionale Karte von Millionen von Atomen eines Zahnmaterials. Das galt als unmöglich, weil es gleichzeitig organische und anorganische Substanzen enthält. Da es doch gelang, erwarten die Forscher nun eine Revolution im Verständnis funktionaler Kompositmaterialien, wie sie die Natur alltäglich aufbaut, schreiben sie im Fachblatt "Nature". Detaillierte Kenntnis der Grundsubstanzen und ihrer Grenzflächen vereinfacht das Design neuer Materialien, die die jeweils besten Eigenschaften verbinden: für Polymere, flexible Elektronik oder Nanokomposite, etwa für die Photovoltaik. Außerdem könnte die Methode künftig Fluorid in Zähnen oder Krebs und Osteoporose-Medikamente in Knochen beobachten helfen.

"Die Stärke von Zähnen beruht auf diesem Mix von organischen und anorganischen Materialien und den Grenzflächen zwischen ihnen", erklärt Derk Joester von der Northwestern University, "doch wie machen und kontrollieren Organismen diese Materialien? Wir müssen diese Architektur auf der Nanometer-Ebene verstehen, um intelligent neue Materialien zu entwickeln. Ansonsten haben wir wirklich keine Ahnung, was dort passiert". Joester und sein Doktorand Lyle Gordon hatten eine Zahnprobe eines winzigen Meeresweichtiers untersucht, da bereits viel über deren Mineralisierungsprozess bekannt ist: Die Käferschnecken (Polyplacophora) fressen Algen von Felsen ab, was ihre Zähne mit der Zeit abnutzt. Deshalb ist darin sehr hartes Eisenoxid eingelagert und die vielen Querreihen winziger Zähne werden kontinuierlich mit neuen Zahnreihen ersetzt. Die Beißer der Käferschnecken ähneln den menschlichen, da sie ein weicheres Inneres in einer harte Hüllschicht haben - beim Menschen der Zahnschmelz, beim Weichtier eine schwarze Magnetit-haltige Schicht.

Zielobjekt von Joester und Gordon waren die organischen Fasern, die in der äußeren Magnetitschicht liegen und für die Zahnstruktur eine wichtige Rolle spielen. Im 3D-Abbild zeigt sich, dass die nur fünf bis zehn Nanometer dünnen Fasern auf Kohlenstoffbasis auch Natrium- oder Magnesium-Ionen enthielten. Es lassen sich die exakte chemische Zusammensetzung, Ausmaß und Lage der organischen Fasern im anorganischen Mineral lokalisieren. Möglich war dies durch die Kooperation mit einem führenden Kopf der Metallanalyse per Atomsondentomographie (APT), David Seidman, ebenfalls an der Northwestern University, und der Firma Cameca, die 3D-Atomsonden-Werkzeuge entwickelt. Joester und Gordon nahmen Mikrometer-kleine Proben von der Schneidekante des Zahns und formten sie unter einem Gallium-Ionenstrahlwerkzeug zu sehr feinen Spitzen, weniger als 20 Nanometer im Durchmesser. Per APT legten sie extrem hohe elektrische Felder an diese Probe an, die die Oberflächenatome ionisieren, so dass sie abheben und auf einen Detektor treffen. Lage für Lage lassen sich so die Atome "abschälen", während eine Software ihre ursprüngliche Lage rekonstruiert und ein 3D-Abbild von Millionen von Atomen der Probe erstellt.

Als nächstes wollen die Forscher den Zahnschmelz von Wirbeltieren sowie Knochen untersuchen, die ebenfalls aus organischen und anorganischen Anteilen bestehen.