Dentin: Zähne unter Hochspannung

6. Juni 2016
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Dentin ist langlebiger als jedes künstlich geschaffene Material. Forscher konnten nun die Größe von in Dentin erhaltenen Nanopartikeln und die Gitterkonstante der Kristalle bestimmen. Die Ergebnisse sind entscheidend für die Zahnmedizin in der täglichen Anwendung.

Dentin gilt als einer der beständigsten biologischen Stoffe überhaupt. Wissenschaftler der Charité – Universitätsmedizin Berlin konnten nun zeigen, dass es in seiner Zusammensetzung langlebiger als jedes künstlich geschaffene Material ist.

Der Grund dafür liegt in seinen winzigen Nanostrukturen und hier insbesondere im Wechselspiel der einzelnen Komponenten. Die präzise Interaktion zwischen Proteinfasern und mineralischen Nanopartikeln ist dafür verantwortlich, dass Dentin ausgesprochen hohem Druck standhalten kann, wie Messungen an der Synchrotronquelle BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin gezeigt haben.

Hohe Belastbarkeit durch innere Spannungen

Ganze 5.000 Mal und mehr beißt der Mensch an einem Tag zu. Gesunde Zähne brechen dabei erstaunlich selten, und sie halten beim Kauen starkem Druck stand. Das liegt an ihrem Aufbau. Ein Zahn besteht aus dem Zahnbein, welches von Zahnschmelz umhüllt ist. Das Geheimnis steckt im Detail. Das Zahnbein ist eine knochenähnliche Substanz, bestehend aus kleinsten mineralischen Nanopartikeln, Kollagen und Wasser.

Während der Zahnschmelz vor allem aus dem Mineral cHAP gebildet wird, ist das Dentin ein komplexes Nanokomposit. In organische Kollagen-, also Eiweißfasern, sind anorganische Nanopartikel aus cHAP-Kristallen eingebettet. Für die hohe Belastbarkeit der Biostruktur sind innere Spannungen verantwortlich, wie die Wissenschaftler um Dr. Jean-Baptiste Forien und Dr. Paul Zaslansky vom Julius Wolff Institut der Charité bereits nachweisen konnten.

Bestimmung der Nanopartikel-Größe

Die innere Vorspannung innerhalb des Materials erklärt, warum sich kleinere Risse oder Sprünge im Zahnschmelz meist nicht weiter im intakten Dentin ausbreiten. Nun hat das Team um Zaslansky die Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Kollagenfasern in menschlichen Zahnproben genau vermessen: „Erstmals konnten wir nicht nur die Gitterkonstanten der cHAP-Kristalle in den Nanopartikeln präzise bestimmen, sondern gleichzeitig auch die Größen der Nanopartikel ermitteln. Dabei haben wir unter anderem festgestellt, welchen Belastungen sie prinzipiell standhalten können”, sagt Zaslansky.

Einblick in die winzigen Strukturen haben die Forscher in Laboren der Charité erhalten, wie auch durch Messungen an der Synchrotronquelle BESSY II, einem wissenschaftlichen Großgerät am Helmholtz-Zentrum Berlin, das Strahlung vom Terahertz- bis in den Röntgenbereich erzeugt.

cHAP-Mineralkristall-Gitter wird nach innen kleiner

In ihren Experimenten haben die Wissenschaftler den internen Druck in den Dentinproben erhöht. Dazu erhitzten sie die Proben auf 125 Grad Celsius, um sie auszutrocknen. Der Wasserverlust lässt die Kollagenfasern schrumpfen, die daraufhin hohen Druck auf die Nanopartikel ausüben. Mit bis zu 300 Megapascal entsprechen diese Druckverhältnisse der Streckfestigkeit von Baustahl und sind 15 Mal höher als der eigentliche Kaudruck, der üblicherweise weit unter 20 Megapascal liegt. Während der Wärmebehandlung wurden die Proteinfasern nicht zerstört, was auf eine Schutzwirkung der mineralischen Nanopartikel hindeutet.

Die Auswertung der Daten zeigt zudem, dass das Gitter der cHAP-Mineralkristalle im Zahn von außen nach innen kleiner wird. „Gewebe nahe des Zahnmarks, das sich in späteren Stadien der Zahnentwicklung gebildet hat, enthält Mineralpartikel mit kleineren Einheitszellen“, sagt Zaslansky. Die Größe der Nanopartikel verhält sich ebenso: Während sie in der Zahnwurzel außen, in Richtung des sogenannten Zements, noch etwa 36 Nanometer lang sind, weisen sie im Inneren des Zahnbeins, in Richtung der Pulpa, nur noch 25 Nanometer Länge auf.

Entscheidende Ergebnisse für die Zahnmedizin

Mit seinen raffinierten Strukturen könnte das Zahnbein Vorbild bei der Entwicklung neuer Materialien sein, beispielsweise für Zahnfüllungen. „Die Architektur des Dentins ist deutlich komplexer als erwartet. Während der Zahnschmelz sehr hart, aber auch spröde ist, üben die organischen Fasern im Dentin genau den richtigen Druck auf die mineralischen Nanopartikel aus, um das Zahnbein insgesamt noch belastbarer zu machen“, so die Wissenschaftler.

Das gilt zumindest, solang der Zahn intakt ist. Kariesbakterien lösen nicht nur den mineralischen Zahnschmelz, sondern produzieren auch Enzyme, die die Kollagenfasern zerstören. Damit kann der Zahn leichter brechen. Entscheidend sind die Ergebnisse der aktuellen Untersuchung insbesondere auch für die Zahnmedizin in der täglichen Anwendung: „Zähne sollten während einer Behandlung, beispielsweise dem Einbringen von Füllungen oder dem Befestigen von Kronen, nass sein und nicht zu stark erwärmt werden. Das vermeidet internen Druck und kann zu nachhaltigeren Behandlungserfolgen führen“, resümiert Zaslansky.

Originalpublikation:

Water-Mediated Collagen and Mineral Nanoparticle Interactions Guide Functional Deformation of Human Tooth Dentin
Jean-Baptiste Forienet al.; Chemistry of Materials, doi: 10.1021/acs.chemmater.6b00811; 2016

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Forschung, Medizin, Zahnmedizin

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3 Kommentare:

Gast
Gast

Die Autoren, sollten in meinen Augen, anstatt sich um Füllungen und Kronen zu sorgen, lieber die Endodontologen und ihre Lehrer auffordern, endlich auf die Anwendung von NaOCl zu verzichten, da es das Kollagen aus dieser Gitterstruktur herauslöst. Kein Wunder – die Tendenz geht ja zu immer konzentrierteren Lösungen und länger andauerendem Spülungen bis zu einer halben Stunde – dass wir in der Folge nachgerade eine Inflation von Wurzellängsfrakturen beobachten. Dies insbesondere vor dem Hintergrund, dass duch die rotierende Aufbereitung sehr viel mehr Dentin als nötig geopfert und im Gegensatz zur feilenden ein sehr viel höherer Druck auf die Seitenwände der Wurzel ausgeübt werden (einfache mechanische Gesetzmäßigkeit).

Noch dazu hat die Anwendung von NaOCl – inzwischen unstrittig – aus sehr nachvollziehbaren Gründen, deren erläuterung diesen Rahmen sprengen würde, nicht zu einer Verbesserung des endodontischen Behandlungserfolges geführt, sondern ist vielmehr mit der Gefahr schwerer und teilweise irreversibler Nebenwirkungen belastet.
Herzliche Grüße
Dr. Dr. Rüdiger Osswald

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Joachim Voß
Joachim Voß

Joachim Voß
Zahnarzt im Ruhestand

Gratuliere Kollegen Landau zu seinem Kommentar. Der Artikel wirkt auf mich, als wäre die Wissenschaft meilenweit vom Tagesgeschäft entfernt. Und wegen der Weiterverbreitung ist die Orginalpublikation natürlich in Englisch. Da bleibt dann allerdings auch die deutsche Sprache auf der Strecke.

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“Zähne sollten während … dem Einbringen von Füllungen nass sein…” – oh je, abgesehen davon, dass auch hier “der Dativ dem Genitiv sein Tod” ist, würde eine solche Füllung (oder Krone) nicht lange halten. – Natürlich arbeitet man während des allseits beliebten “Bohrens” (eigentlich Fräsens und Schleifens) mit Spraykühlung, aber danach muss man leider trocken legen. Dass man es mit der Trocknung auch nicht übertreiben sollte (z. B. nicht mit Alkohol) ist bekannt.

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