Dass unsere Zähne besonders hart im Nehmen sind, ist allgemein bekannt. Sie sind es, die noch nach Jahrtausenden gut erhalten bei Ausgrabungen zum Vorschein kommen. Nun haben Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin die besonderen Materialeigenschaften des Zahnbeins genauer untersucht und konnten das Geheimnis seiner besonderen Stabilität ein wenig lüften.

Unsere Zähne müssen täglich ungeheuren Belastungen standhalten. Mehrere tausend Mal beißen wir jeden Tag damit. Beim Zubeißen wirken hohe Kräfte auf jeden Zahn ein.

Aus diesem Grund müssen unsere Zähne aus einem ganz besonders robusten Material bestehen: Dentin. Dabei handelt es sich um ein Material, das unseren Knochen ähnelt. Aufgebaut ist es aus mineralischen Nanopartikeln, Kollagen und Wasser. Dieses Komposit allein sorgt jedoch noch nicht für die enorme Stabilität. Die Forscher um Dr. Jean-Baptiste Forien vom Helmholtz-Zentrum Berlin haben herausgefunden, dass in die Eiweißfasern des Dentins anorganische Nanopartikel aus cHAP-Kristallen eingebettet sind, die unter Spannung stehen.

Genaue Vermessung der Dentin-Bestandteile

 Um die Stärke des Dentins zu prüfen, haben die Berliner Forscher die Wirkungen zwischen cHAP-Kristallen und Kollagenfasern mit einem speziellen und hochleistungsfähigen Röntgengerät genau gemessen. Zugleich wurde dabei die Größe der Nanopartikel ermittelt. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Länge der Nanopartikel von außen nach innen abnimmt.

In einem weiteren Schritt haben die Forscher geprüft, wie viel Druck das Dentin standhält. Hierfür wurden die Zahnproben auf 125°C erhitzt, um jegliche Feuchtigkeit zu entfernen. Das Ergebnis: Der Druck im Innern des Dentins beträgt bis zu 300 Megapascal und entspricht den Druckverhältnissen in Baustahl. Zugleich belegt diese Zahl, wie stabil das Material ist, denn wenn wir zubeißen entsteht ein maximaler Kaudruck von 20 Megapascal.

Dentin als Vorbild für Materialentwicklung

Nachdem nun ein Grund für die besondere Stabilität des Dentins entdeckt wurde, könnten die Ergebnisse nützlich für die Materialentwicklung sein. Das Team des Helmholtz-Zentrums Berlin hat dadurch wichtig Grundlagenarbeit für neue Zahnfüllungen geschaffen. Zugleich haben die Analysen noch weitere Erkenntnisse gebracht. So haben sie zum einen belegt, dass die Stabilität von Zähnen durch Karies beeinträchtigt wird, weil dadurch die interne Struktur des Dentins brüchig wird. Zugleich empfehlen die Forscher beim Füllen von Zähnen, diese feucht und nicht zu warm einzufügen, um den internen Druck des Zahns zu minimieren.

Forschungsquelle: Jean-Baptiste Forien, Ivo Zizak, Claudia Fleck, Ansgar Petersen, Peter Fratzl, Emil Zolotoyabko and Paul Zaslansky. Water-Mediated Collagen and Mineral Nanoparticle Interactions Guide Functional Deformation of Human Tooth Dentin. Chemistry of Materials. 2016, 28 (10), pp 3416–3427. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b00811.