Forscher der Universität Wien erhält Preis für die Erforschung der Knochenstruktur

Herwig Peterlik, Leiter der Arbeitsgruppe Streuung und Spektroskopie der Fakultät für Physik der Universität Wien, und ein interdisziplinäres Team entwickelten ein aufwendiges Bruchenergie-Messverfahren. Dafür wird Herwig Peterlik am Freitag, 2. März 2007, von der Deutschen Gesellschaft für Osteologie, die in der Wiener Hofburg tagt, mit dem Copp-Preis 2007 ausgezeichnet.

Menschlicher Knochen ist ein Verbundwerkstoff von Kollagenfasern und plattenförmigen Mineralkristallen mit einem Durchmesser zwischen 3 und 4 Nanometern. Bisher wurde bei der Erforschung der mechanischen Eigenschaften von menschlichem Knochen der Schwerpunkt auf die Mineralkristalle gelegt.

Ausschlaggebend für den Knochenbruch: Orientierung der Kollagenfasern

Ein interdisziplinäres Forscherteam der Universität Wien, des Ludwig- Boltzmann-Instituts für Osteologie und des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung fand jedoch heraus, dass bei einem Knochenbruch die Orientierung der Kollagenfasern entscheidend ist. Dies wurde durch Experimente nachgewiesen, in denen die Wissenschafter die für den Bruch erforderliche Energie in Schritten von nur etwa 100 Mikrometern gemessen und mit der lokalen Struktur in Verbindung gesetzt haben.

Für Risse in Kollagenfaserrichtung ist nur eine geringe Bruchenergie erforderlich und der Knochen ist spröde. Ab einem Winkel der Kollagenfasern von 50 Grad quer zur Rissausbreitungsrichtung steigt die zum Bruch notwendige Energie sprunghaft an und kann sich “ wenn Kollagenfasern reissen “ bis um das Hundertfache erhöhen. Dies entspricht der Belastung von Oberschenkel- und Schienbeinknochen in Biegung. Der lamellare Aufbau des Knochens mit Kollagenfasern- Schichten unterschiedlicher Orientierung, aber einer Vorzugsrichtung gegen die Rissausbreitungsrichtung macht ihn unempfindlich gegen schon vorhandene, natürliche Risse.

Wissen um die Kollagenfasern auch für neues Verbundwerkstoff-Design wichtig

Die Ergebnisse sind nicht nur für die medizinische Forschung und für das Verständnis der mechanischen Eigenschaften von menschlichem Knochen wichtig. Sie ermöglichen auch neue Perspektiven in der Konstruktion von risstoleranten technischen Verbundwerkstoffen.

Publikation

From brittle to ductile fracture of bone. In: Nature Mater. 5 (2006)
52-55. In Zusammenarbeit mit Paul Roschger und Klaus Klaushofer vom Ludwig-Boltzmann-Institut für Osteologie (Wien) und Peter Fratzl vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (Potsdam).

Deutsche Gesellschaft für Osteologie (DGO) und Copp-Preis