On the Multiscale, Mechanical Behaviors of Mineralized Bone
Die Natur bildet eine Reihe von mineralisierten Geweben mit verschiedenster Morphologie. Diese Materialien weisen eine enorme Zähigkeit, große Dehnbarkeit oder große Festigkeit auf und behalten diese auch bei veränderlichen Umgebungsbedingungen. Diese außergewöhnlichen Eigenschaften sind ein Ergebnis der Zusammensetzung und der Organisation von Elementen in ein einheitliches, funktionelles Gewebe. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Beziehungen von Struktur und Funktion über mehrere Längenskalen in mineralisierten Geweben -speziell im hierarchisch aufgebauten Knochenaufzeigen. Durch Kombination von Röntgenstreuung mit mikromechanischen in-situ Charakterisierungsmethoden werden Prozesse untersucht, die während der mechanischen Deformation im Knochen ablaufen. Knochen ist ein hierarchisch strukturierter, biologischer Verbundwerkstoff, der verschiedene Materialeigenschaften auf unterschiedlichen Längenskalen aufweist. Durch die spezielle Anordnung von Elementen mit geringerer und hoher Festigkeit, können weichere Elemente gegenüber hohen Lasten abgeschirmt werden. Diese Anordnung ermöglicht es, mechanische Lasten ungleichmäßig im Gewebe zu verteilen, d.h. festere Elemente nehmen eine höhere mechanische Belastung auf als die weniger festen Elemente. Besonders die Lastübertragung von der organischen Matrix auf die Mineralplättchen ist stark von den verschiedenen Charakteristiken der hierarchischen Strukturierung abhängig. Ein grundlegender Bestandteil dieser hierarchischen Strukturierung sind orientierte, schwache Schnittstellen auf jeder Stufe der Längenskala, die die Nachgiebigkeit zwischen den harten und weichen Elementen vergrößern. In der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Orientierung dieser schwachen Schnittstellen bei der Regulierung von Überbeanspruchungen insbesondere auf der Mikroskala entscheidend ist. Dort tragen diese schwachen Schnittstellen zu großer mechanischer Anisotropie bei, die im Elastizitätsmodul und der Kraft repräsentiert ist. Ein andere Untersuchung zeigt, dass sich bei makroskopischer Deformation die jeweiligen Dehnungswerte nacheinander in Richtung kleinerer Längenskalen im Knochen (Gewebe → organische Matrix → Mineralplättchen) vermindern. Dieses Designprinzip ermöglicht Knochen die Gewebedichte zu minimieren während die charakteristischen Materialeigenschaften unverändert bleiben. In dieser Arbeit werden auch genetisch veränderte Maus-Modelle mit Funktionsstörungen untersucht um die Mechanismen der Mineralisierung und die Ausbildung der Knochenfestigkeit bei Skelett-Krankheiten zu verstehen. Es werden die Mikro- und Nano- Strukturen dieser genetisch veränderten Proben untersucht, wobei die Mineral- und Zellbestandteile sowie die organische Matrix mit gesunden Referenzproben verglichen werden. In der vorliegenden Arbeit werden Schnurri (Shn3), Neurofibromatosis-1 (NF1), und α-HS Glycoprotein (Ahsg) Maus-Modelle untersucht, bei denen der Prozess der Mineralisation gestört ist. Auf der Materialebene zeigen sich keine signifikanten Unterschiede in den Eigenschaften, was zum Schluss führt dass diese Mechanismen der Mineralisierung und die Ausbildung der Knochenfestigkeit sehr komplex sind. Knochen ist ein komplexes Gewebe, unterliegt ständigem Wachstum und muss die Mineralhomöostase in einer Umgebung aufrecht erhalten, die sich unter dauerhafter mechanischer Belastung befindet. Die Natur hat Strategien entwickelt, um mechanische Überbelastung auf verschiedenen Sub-Strukturen zu verteilen, die überall im hierarchisch strukturierten Gewebe wiedergefunden werden können. Durch ein besseres Verständnis dieses Prinzips kann aufgeklärt werden, in welchen Strukturelementen die Ursprünge für die vielseitigen Knocheneigenschaften liegen.
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