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Bioverträgliches Gerüst mit Eigenschaften wie Knochen oder Zahnschmelz


Amerikanische Wissenschaftler haben sehr widerstandsfähige und leichte Keramiken hergestellt, die dem natürlichen Material Perlmutt nachempfunden sind. Dazu entwickelten sie ein Verfahren, bei dem Mischungen aus Keramikpulver und Wasser kontrolliert eingefroren werden. Die Keramik bildet dabei ein festes Gerüst, aus dem das Eis dann wieder entfernt werden kann. Die Werkstoffe könnten als Basis für stabile und verträgliche Knochenimplantate dienen.

Muschelschalen, Schneckenhäuser, aber auch Knochen enthalten aus feinen Schichten aufgebautes Perlmutt: Es besteht aus Kalkplättchen, die durch ein organisches Material zusammengehalten werden. Dieser Schichtaufbau sorgt für eine große Festigkeit. Gleichzeitig ist der schillernde Stoff aber leicht. Daher versuchen Werkstoffwissenschaftler schon länger, das natürliche Vorbild möglichst gut zu imitieren.

Fortschritte auf dem Weg zur perfekten Nachahmung hat nun ein Team um Sylvain Deville vom "Lawrence Berkeley National Laboratory" erzielt: Sie starten den Herstellungsprozess mit einem Schlamm aus feinem Keramikpulver und Wasser. Diese Mischung kühlen sie gezielt ab, so dass das Wasser schließlich einfriert. Dabei bildet es Eiskristalle, zwischen denen sich die Keramikteilchen ansammeln und ein poröses Gerüst bilden, das sehr ähnlich wie Perlmutt aufgebaut ist. Entscheidend ist dabei die Geschwindigkeit des Einfrierens: Bei schneller Abkühlung bleiben die Eiskristalle klein, und es entsteht ein feines Keramikgerüst.

Danach entfernen die Forscher das Eis aus den Zwischenräumen des filigranen Gebildes, indem sie den Stoff einer Gefriertrocknung unterziehen. Dabei entsteht eine keramische poröse Struktur, deren Schichten teilweise nur ein Tausendstel Millimeter dick sind. Zum Schluss füllen Deville und sein Team das Gerüst mit organischen Materialien wie Epoxid, um das Perlmutt-Imitat zu vervollständigen. Auch Metall testeten sie bereits als Füllmaterial.

Ihre Methode könnte sich sehr gut für bioverträgliche orthopädische Implantate eignen, kommentieren die Wissenschaftler. Zu diesem Schluss trägt ein von ihnen hergestelltes keramisches Gerüst aus Hydroxylapatit bei, einer Substanz, die in Knochen und im Zahnschmelz vorkommt: Dieses poröse Gebilde ist viermal druckfester als gewöhnliches, poröses Hydroxylapatit.

Sylvain Deville et al. (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley): Science, Bd. 311, S. 515

Quelle: ddp/wissenschaft.de – Anna-Lena Gehrmann