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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Sich selbst bildendes Knochengewebe |
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| | | Wissenschaftler aus den USA haben erstmals ein selbsttätig wachsendes, künstliches Knochengewebe hergestellt. Minutiös gestaltete winzige Bauelemente fügen sich selbst organisierend zur molekularen Architektur von Knochen zusammen. Die Forscher versprechen sich von der neuen Entdeckung bessere und elastischere Prothesen. |
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Von ihrer neuen Entwicklung berichten Sam Stupp und seine Kollegen von der 'Northwestern University' in Illinois in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins 'Science'.
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Artikel In 'Science' unter "Self-assembly and mineralization of peptide-amphiphile nanofibers"; (Science, online 22 November ,2001; kostenpflichtig).
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Suche nach effizienten Materialien |
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Materialwissenschaftler ereifern sich zusehends, wenn es darum geht, die Elastizität und Härte von Biomineralien nachzubauen, aus denen Knochen, Zähne und Muscheln bestehen.
Muschelschalen zum Beispiel, die aus Kalziumkarbonat und mehreren Schichten organsicher Materialien in Kombination zusammen gesetzt sind, erreichen einen wesentlichen höheren Härtegrad als eine äquivalente Steinschicht aus Mineralien alleine.
Das Geheimnis der hohen Elastizität von Biomaterialien wie Knochen liegt in der Kombination von harten mineralischen Substanzen und weicheren organischen Komponenten.
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Knochen...
...feste Stützsubstanz des Skeletts der meisten Wirbeltiere, die aus einem faserigen Grundgewebe mit kalkhaltigem Kittmaterial aufgebaut ist. Die Knochen sind in ihrer Gesamtheit durch Bänder und Gelenke zum Körpergerüst verbunden. Ihrer Form nach werden unterschieden: lange oder Röhrenknochen sowie platte oder breite Knochen. Die Röhrenknochen bestehen aus einem länglichen, hohlen, mit Knochenmark gefüllten Mittelstück und je zwei verdickten Endstücken aus poröser Knochenmasse, die an ihren Enden die überknorpelten Gelenkflächen tragen. Die platten oder breiten Knochen bestehen wie die Röhrenknochen aus der äußeren harten Knochenrinde und der inneren porösen Knochenmasse, haben aber keine größeren Hohlräume. Alle Knochen sind außen von der Knochenhaut umgeben, von der bei Verletzungen die Wiederherstellung erfolgt. |
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 Mehr zu Knochenaufbau und Knochenwachstum |
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Elastizität und Härte kombiniert |
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Knochen besteht aus dem kalziumhältigen Mineral Hydroxyapatit und dem Eiweiß Kollagen, die elastische, faserförmige Komponente von Sehnen und Bändern. Kollagenfasern liefern ein Baugerüst, in das sich die Hydroxyapatit-Kristalle einlagern und so dem Knochen Härte und Elastizität verleihen.
Sam Stupp und seine Kollegen haben kleine, maßgeschneiderte Peptide hergestellt, die sie so bearbeiteten, dass diese sich zu zylindrischen Säulen anordneten. Diese Peptide wiesen dabei ein freiliegendes Ende auf, das vor Wasser abgeschirmt wurde.
Diese langen, flexiblen Säulen formten zunächst ein Gewirr an wurmartigen Fasern. Stupps Team fixierte die Fasern an bestimmten Positionen durch eiweißartige Moleküle, die sie an die Oberfläche jener Fasern 'banden'. Ganz ähnliche Bindungen verknüpfen Kollagenfasern mit dem verschiedenen 'echten' Geweben.
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Kollagen...
...Gerüsteiweiß, das Hauptbestandteil des zwischen den Zellen des Körpers gelegenen Stützgewebes (Bindegewebe, Sehnen, Bänder, Knorpel, Knochen) ist. Kollagen macht bis zu 25 Prozent des Eiweißgehalts des menschlichen Körpers aus. Die kollagenen Fasern werden von den Fibroblasten gebildet. Das aus tierischem Bindegewebe gewonnene Kóllagen dient als Grundsubstanz für die Herstellung von resorbierbarem und nicht resorbierbarem chirurgischem Nahtmaterial sowie als Hautersatz. |
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Mehr zu Kollagen |
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Genau wie in 'echten' Knochen |
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Die Wissenschaftler integrierten darüber hinaus bestimmte Molekül-Gruppen in das Kollagenfasergewebe. Diese Molekül-Gruppen ähneln jenen in Knochen, die für die Formierung der mineralischen Kristalle verantwortlich sind.
Weiters wurden dem vorliegenden Komplex Moleküle hinzugefügt, die Proteine veranlassen, sich an Zellen zu binden. Das würde, so die Wissenschaftler, dem vorliegenden Kollagenkomplex mit all den hinzugefügten Komponenten erlauben, in einem selbstorganisierenden Prozess lebende Zellen zu beherbergen.
Schließlich wurde jene angefertigte Matrix in eine Lösung getaucht, die vorwiegend aus Kalzium- und Phosphationen bestand. Auf diese Weise konnten die in das Gerüst integrierten, mineralischen Kristalle wachsen und sich deren atomare Schichten genau wie in 'echten' Knochen exakt an die Kollagenfasern anlagern.
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Bessere Prothesen |
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Die von der Wissenschaftlern aus Illinois jetzt vorgelegten Ergebnisse dienen allerdings keinem Selbstzweck, denn schon länger arbeiten Materialforscher an verbesserten Materialien für Prothesen, die dem Vorbild der Natur möglichst nahe kommen sollen.
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01.01.2010 |
