Homepage: Von der Natur lernen

Die Abteilung Biomaterialien am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung hat Arbeit aufgenommen Nicht nur unsere Haut erneuert sich ständig sondern auch unser Skelett und das innerhalb von ungefähr sieben Jahren. Und wie sich Knochen auf- und abbauen ist eines der Themen mit denen sich die neu ins Leben gerufene Abteilung Biomaterialien am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPIKG) in Golm beschäftigt. Die Frage, warum ein Österreicher nach Golm kommt, beantwortet Prof. Peter Fratzl mit den Worten, es sei eine einmalige Chance eine Abteilung neu aufzubauen. Und auch das wissenschaftliche Umfeld böte viele Möglichkeiten. So hätte er vor Ort mit den Kollegen im Haus, dem Fraunhofer Institut für Angewandte Polymerforschung und dem Max-Planck-Institut für Pflanzenphysiologie hervorragende Partner für die zukünftige Arbeit. Denn neben den Eigenschaften von Knochen, Sehnen, Hornhaut und Knorpel interessieren sich Prof. Fratzl und seine Kollegen auch für „die Welt der Zellulose“. Das zentrale Thema der Abteilung Biomaterialien ist: „Von der Natur lernen und dann das Gelernte technisch umzusetzen.“ Also die natürlichen Materialeigenschaften in künstliche Werkstoffe zu übertragen. Sechs neue Arbeitsgruppen sind entstanden, drei Teams beschäftigen sich mit der Natur, drei entwickeln Materialien, die aus den natürlichen abgeleitet sind. Zum Beispiel Holz. Bäume werden bis zu 120 Meter hoch und sind doch äußerst stabil, wie das funktioniert soll herausgefunden werden und zwar auf den untersten Ebenen: den Molekülen in Zellen und Zellwänden. Welche Eigenschaften haben diese? „Ein wenig erforschtes Gebiet“, so Fratzl. „Obwohl die Natur arm an Materialien ist, sorgen intelligente Konstruktionen für die guten mechanischen Eigenschaften“, fügt der Physiker hinzu. Oder Kollagen, ein sehr weiches Material und Hauptbestandteil im Bindegewebe. Wie unterscheidet sich das Kollagen in den Knochen von dem in der Hornhaut? Eine andere Frage ist, was passiert auf der molekularen Ebene, wenn eine Sehne auseinander gezogen wird? Werden doch die Moleküle weniger stark gedehnt als die gesamte Faser, in der sie stecken. Warum das so ist und wie das funktioniert, wollen die Wissenschaftler herausfinden. Noch ist Prof. Peter Fratzl mit dem Einrichten der Labors beschäftigt, denn die Abteilung hat erst vor einigen Wochen die Arbeit aufgenommen. Viele der neuen Kollegen sind dem ehemaligen Direktor des Erich-Schmid- und Leiter des Metallphysik-Institutes in Leoben aus Österreich gefolgt. An der österreichischen Akademie der Wissenschaften war die Forschungsarbeit allerdings wesentlich breiter gefächert und reichte von Materialwissenschaften über Stahl bis hin zu den Knochen. Auch Fratzl selbst ist eigentlich Ingenieur und hat in der Feststoffphysik habilitiert. Mit biologischen Problemen beschäftigt er sich erst seit gut 10 Jahren. Und diesen kann er sich am MPIKG so intensiv wie noch nie zuvor widmen. So wird sich eine weitere Arbeitsgruppe den Umbauprozessen der Knochen physikalisch nähern. Findet der Kochenauf- und -abbau nach bestimmten Regeln statt? Welche Materialeigenschaften haben Knochen? Gerade diese Forschungen sind perspektivisch von Bedeutung. Können sie doch Einfluss auf die Medikamententwicklung gegen Osteoporose nehmen. Da gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder den weiteren Knochenabbau verhindern oder einen neuen Aufbau stimulieren. Inzwischen weiß man, dass Knochen dort abgebaut werden, wo keine Belastung ist und dort wo die Belastung groß ist, neues Material angelagert wird. Dass dieser Prozess stattfindet, dafür sorgen die Zellen in den Knochen. Allerdings weiß man noch wenig darüber, was die Prozesse beeinflusst. Ein erster Schritt ist es, mit Hilfe von Computermodellen diese Umbauprozesse zu erfassen, um letztendlich Vorhersagen treffen zu können, warum sich die mechanischen Eigenschaften verändern. Soweit die Grundlagen. Ein weiteres Projekt der Abteilung Biomaterialien geht einen Schritt weiter. Die Arbeitsgruppe „biotemplating“ hat das Ziel natürlich gewachsene Strukturen in künstliche umzusetzen. Das heißt, die Struktur zu erhalten, aber das Material zum Beispiel Holz soll durch künstliches wie Keramik ersetzt werden. So entstehen so genannte Komposite. Dabei bleiben die mechanischen Eigenschaften des „weichen“ Holzes im Speziellen die der Zellwand erhalten und werden um die der „harten“ Keramik erweitert. K. Koch

K. Koch