Materialforschung: Hart, härter, Weichtier

Auf den ersten Blick wirkt Chaetopleura apiculata unscheinbar: Ein kleines Tierchen, das sich unter einem grünlich-braunen Panzer verbirgt und sich von Algen und Kleinstlebewesen ernährt. Allerdings hat diese Käferschnecke einen erstaunlichen Biss: Das Weichtier kaut auf Steinchen, um an Nahrung zu kommen, die in Nischen oder Einbuchtungen versteckt ist.

Die erstaunlichen Eigenschaften seiner Zähne haben den Meeresbewohner in den Blick von Materialforschern gebracht. "Die äußere Schicht des Käferschneckenzahns ist das härteste Biomaterial, das man kennt", sagt Derk Joester von der Northwestern University in Evanston, Illinois. Gleichzeitig ist es zäh - das heißt, es neigt nicht dazu, kleine Risse zu bilden. Damit unterscheidet es sich von vielen anderen sehr harten Materialien, die oft spröde sind.

Joester hat gemeinsam mit seinem Kollegen Lyle Gordon das Biomineral in bisher nicht erreichter Genauigkeit analysiert. Die Wissenschaftler interessierte dabei vor allem das Zusammenspiel von anorganischen und organischen Substanzen - also von dem harten, spröden Mineralanteil der Zähne und den weichen Eiweißverbindungen, die sich ebenfalls darin finden.

Das Geheimnis von Verbundmaterialien wie diesem tierischen Zahnschmelz liegt in eben dieser Kombination und den Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Substanzen. Obwohl Chemiker in Laboren mit hohen Temperaturen oder Druck arbeiten können, um Reaktionen in eine bestimmte Richtung zu zwingen, fällt es ihnen bisher schwer, Werkstoffe herzustellen, die an ihre biologischen Vorbilder herankommen.

"Wie gelingt es Organismen, solche Materialien herzustellen? Wir müssen die Struktur auf der Nanoebene verstehen, wenn wir ähnliche Materialien herstellen wollen", sagt Joester. Die Untersuchung, über die die zwei Wissenschaftler im Fachmagazin "Nature" berichten, ist ein erster Schritt, um das Material im Labor nachbauen zu können. Gelingt das, könnte man das Material unter anderem für Implantate oder Zahnersatz nutzen.

Eine Eigenart der Käferschnecken erleichtert die Erforschung ihrer Zähne: Die Weichtiere, die zwar mit den Schnecken verwandt sind, aber biologisch eine eigene Klasse bilden, produzieren quasi wie am Fließband neue Beißer. Die Zähne sitzen auf der sogenannten Radula, der Raspelzunge. Etwa 30 bis 60 Zahnreihen besitzen Käferschnecken - je nach Art unterscheidet sich die Zahl -, wobei ständig von hinten neue nachgeschoben werden. Zusätzlich schärfen sich die Zähne sogar bis zu einem gewissen Grad nach.

Im grundsätzlichen Aufbau ähneln die Zähne denen des Menschen: Um einen etwas weicheren Kern schließt sich eine härtere Schicht. Beim Menschen besteht diese im Wesentlichen aus Hydroxylapatit, bei der untersuchten Käferschneckenart aus Magnetit, einer mineralischen Verbindung von Eisen und Sauerstoff, die mit Chitinfasern durchsetzt ist. Wegen des Eisenoxids sind die Zähne des Weichtiers schwarz, nicht weiß.

Einzelne Ionen herausgerissen

Die Wissenschaftler nutzten die sogenannte Atomsonden-Tomografie, um die Struktur des Materials bis hin zum einzelnen Atom zu ergründen. Die Methode wird eigentlich in der Halbleitertechnik und der Metallurgie eingesetzt. "Keiner hat geglaubt, dass es auch mit unserem Material funktionieren würde", erzählt Joester. Bei der Atomsonden-Tomografie werden durch ein starkes elektrisches Feld einzelne Ionen oder kleine, geladene Moleküle aus der Materialprobe gerissen und mit einem Detektor aufgefangen. Dies passiert Schicht für Schicht, als würde man eine Zwiebel schälen. Aus Masse und Ladung, dem genauen Ort sowie der Reihenfolge, in der die Ionen auf den Detektor auftreffen, lassen sich die chemische Zusammensetzung und die dreidimensionale Struktur des untersuchten Materials berechnen.

Der Zahnschmelz der Käferschnecke enthält neben Eisenoxid auch Verbindungen mit Natrium, Magnesium und Mangan sowie Kohlenstoff und Stickstoff. Die letzten zwei deuten auf organische Moleküle hin - in diesem Fall auf den langkettigen Zucker Chitin sowie auf Eiweiße. Joester und Gordon konnten sehen, dass sich diese in Form von fünf bis zehn Nanometer dicken Fasern durch das anorganische Magnetit ziehen. Diese Fasern wiederum interagieren entweder mit Natrium- oder Magnesium-Ionen, woraus die Wissenschaftler schließen, dass die organischen Fasern verschiedene Aufgaben bei der Entstehung und Organisation des Materials erfüllen.

Wenn die dreidimensionale Struktur bekannt ist, haben Forscher bessere Chancen, ähnliche Materialien im Labor herzustellen. Trotzdem ist es keine leichte Aufgabe. "Die Präzision, mit der in der Natur Kompositmaterialien erzeugt werden, erreichen wir technologisch noch nicht, dafür sind die Verfahren zu grob", sagt Sebastian Hein vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Bremen. Er hält die Atomsonden-Tomografie für ausgesprochen interessant - auch um Materialien in der Herstellung zu überprüfen. "So könnten wir zum Beispiel genau erkennen, wie sich Nanofasern in einem Material verteilt haben." Falls sich mit der Atomsonden-Tomografie auch größere Probenmengen untersuchen ließen, hält er auch einen Einsatz in der medizintechnischen Produktion für möglich.

Die Materialforscher in Illinois arbeiten bereits daran, mit der Atomsonden-Tomografie weitere biologische Materialien, wie etwa Knochen und Säugetierzähne, zu analysieren. "Uns interessiert zum Beispiel, wie sich Fluorid im Zahnschmelz einlagert", sagt Joester. Das könnte ebenfalls für die Entwicklung neuer Materialien interessant sein - und eventuell auch für die Zahnpflege.