Untersuchung des Deformations- und Bruchverhaltens der hierarchischen Ebenen von Zahnschmelz
Biomaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde der Zusammenhang der Struktur von Zahnschmelz und dem Materialverhalten untersucht. Zahnschmelz besteht aus einer Kombination aus Mineral, Wasser und organischem Material (Proteinen) und weist eine hierarchische gradierte Struktur auf verschiedenen Längenskalen auf. Es stellte sich heraus, dass diese hierarchisch gradierte Struktur hauptsächlich dafür verantwortlich ist, dass Zahnschmelz gegenüber Rissen unempfindlich ist. Auch bei bereits vorhandenen Rissen wird die weitere Ausbreitung verhindert, der Zahn bleibt ein zusammenhängendes Material und kann seine Funktion weiter ausführen. Lange Zeit wurde vermutet, dass auch das organische Material eine wichtige Rolle dabei spielt, die Ausbreitung von Rissen zu verhindern. Um dies zu untersuchen, sollten die mechanischen Eigenschaften von Zahnschmelzproben, in denen das organische Material entfernt wurde, mit ursprünglichen, unveränderten Zahnschmelzproben verglichen werden. Es stellte sich jedoch im Laufe des Projektes heraus, dass es sehr schwierig ist, das organische Material in den unveränderten Proben nachzuweisen. Dadurch mussten viele verschiedene Messmethoden verglichen werden, um sicher zu stellen, dass die Methode, die zur Entfernung der Organik verwendet wurde, auch erfolgreich war. Aufgrund dieser Probleme änderte sich im Laufe des Projektes der Fokus. Anstatt die mechanischen Eigenschaften der unterschiedlichen Proben zu vergleichen, wurden hauptsächlich verschiedene Methoden zur Entfernung der Proteine untersucht (Behandlung mit Bleichmittel, mit Lauge oder Wärmebehandlung bei unterschiedlichen Temperaturen). Danach wurde mit einer Vielzahl an verschiedenen Analysen ermittelt, ob diese Methoden erfolgreich waren. Zusätzlich wurde untersucht, ob auch die Struktur des Zahnschmelzes beeinflusst wird, da auch dieses die mechanischen Eigenschaften des Zahnschmelzes verändern kann. Es stellte sich heraus, dass vor allem Wärmebehandlungen bei hohen Temperaturen ab 400°C und langen Haltezeiten von 24h die Struktur des Zahnschmelzes stark verändert. Die nur einige Nanometer großen Mineralkristalle in Zahnschmelz beginnen zu sintern. Das heißt, die kleinen Kristalle vereinen sich zu größeren Kristallen und die Grenzflächen zwischen den Kristallen schließen sich. Durch diese lokale Sinterschrumpfung entstehen in den Proben große Risse, was die mechanischen Eigenschaften stark beeinflusst. Diese Methode eignet sich dadurch nicht zur Entfernung der Organik und darauf basierende Publikationen halten wir für fragwürdig. Die Behandlung mit Lauge oder Bleichmittel hingegen lässt die Zahnschmelzstruktur unbeeinträchtigt. Mittels spezieller Analysemethoden konnte zudem bestätigt werden, dass zumindest ein Teil des organischen Materials entfernt wurde. Die mechanischen Eigenschaften, speziell Steifigkeit (E-Modul) und Härte, blieben jedoch unverändert. Dies zeigt, dass der größte Einflussfaktor auf die mechanischen Eigenschaften die innere Struktur des Zahnschmelzes ist und das organische Material nur eine untergeordnete Rolle spielt. Des Weiteren gelang es, elektronenmikroskopisch sehr hohe Vergrößerungen bis hin zur atomaren Ebene zu erreichen, und dadurch die multiskalige Zahnschmelzstruktur genau zu analysieren. Der Fokus lag hierbei auf den Grenzflächen der Struktur, da diese besonders wichtig für das mechanische Verhalten sind und insbesondere dafür verantwortlich sind, den Verlauf von Rissen zu „steuern“, da ein Riss eher dem Verlauf einer Grenzfläche folgt, als mitten durch einen Kristall zu verlaufen. Es stellte sich heraus, dass die Grenzflächen nicht, wie oft angenommen mit organischem Material gefüllt sind, sondern, dass hier häufig die Kristalle in direktem Kontakt stehen. Dies erklärt die Beobachtung, dass das organische Material einen eher geringen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften hat. Die in diesem Projekt gewonnen Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Struktur und mechanischen Eigenschaften von Zahnschmelz können dazu genutzt werden, besser Zahnersatzmaterialen herzustellen. Hier wäre ein Material wünschenswert, das möglichst genau dem Verhalten von Zahnschmelz entspricht, um ein möglichst langlebiges Implantat zu erhalten, und den Einfluss des Ersatzmaterials auf die anderen Zähne und die Kieferknochen zu reduzieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2011. Sub-10-micrometer toughening and crack tip toughness of dental enamel. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4, 423–432
Ang SF, Schulz A, Pacher Fernandes R, Schneider GA
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Bechtle S, Özcoban H, Yilmaz ED, Fett T, Rizzi G, Lilleodden ET, Huber N, Schreyer A., Swain MV, Schneider GA
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2011.12.027) - 2012. Comparison of mechanical behaviors of enamel rod and interrod regions in enamel. J. Mater. Res. 27, 448–456
Ang SF, Saadatmand M, Swain MV, Klocke A, Schneider GA
(Siehe online unter https://doi.org/10.1557/jmr.2011.409) - 2012. Hierarchical flexural strength of enamel: transition from brittle to damage-tolerant behaviour. J. R. Soc. Interface 9, 1265–1274
Bechtle S, Ozcoban H, Lilleodden ET, Huber N, Schreyer A, Swain MV, Schneider GA
(Siehe online unter https://doi.org/10.1098/rsif.2011.0498) - 2013. Fracture behavior of hydroxyapatite nanofibers in dental enamel under micropillar compression. Scripta Mater. 68, 404–407
Yilmaz ED, Bechtle S, Ozcoban H, Schreyer A, Schneider GA
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.11.007) - 2013. Towards bio-inspired engineering materials: Modeling and simulation of the mechanical behavior of hierarchical bovine dental structure. Comp. Mater. Sci. 79, 390–401
Bargmann S, Scheider I, Xiao T, Yilmaz E, Schneider GA, Huber N
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.06.028) - 2014. Micromechanical characterization of prismless enamel in the tuatara, Sphenodon punctatus. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 39C, 210–217
Yilmaz ED, Bechtle S, Ozcoban H, Kieser JA, Swain MV, Schneider GA
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Scheider I, Xiao T, Yilmaz E, Schneider G, Huber N, Bargmann S
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Yilmaz ED, Koldehoff J, Schneider GA
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Koldehoff J, Swain MV, Schneider GA
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.12.040)
