Biometrie zum Kauen 30.09.2015, 07:55 Uhr

Nachbau gelungen: Ein künstlicher Zahn so hart wie ein echter

Zähne gelten als extrem hart. Schon lange versuchen sich Wissenschaftler daran, ein solch hartes Material künstlich zu erschaffen. Nun ist es Materialwissenschaftlern der ETH Zürich gelungen, die Mikrostruktur von Zähnen exakt nachzubilden. Der Kunstzahn aus Zürich braucht sich hinter seinem natürlichen Vorbild nicht zu verstecken.

Mitarbeiter einer Geisterbahn beim Zähneputzen: Forscher der ETH Zürich haben jetzt ein neues Verfahren entwickelt, mit dem man künstliche Zähne herstellen kann, die so stabil sind wie das natürliche Vorbild.

Mitarbeiter einer Geisterbahn beim Zähneputzen: Forscher der ETH Zürich haben jetzt ein neues Verfahren entwickelt, mit dem man künstliche Zähne herstellen kann, die so stabil sind wie das natürliche Vorbild.

Foto: Bernd Weißbrod/dpa

Es ist ein kleines Wunder der Evolution, dass unsere Zähne trotz der extremen Belastung beim täglichen Kauen oftmals ein ganzes Menschenleben halten. Zähne sind zwar superhart, aber eben auch superspröde, fast so spröde wie Glas. Das Geheimnis unserer Zähne liegt in ihrer besonderen Feinstruktur: Sie sind aus verschiedenen Lagen aufgebaut, in denen unzählige Mikroplättchen in jeweils identischer Ausrichtung aneinander gefügt sind.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
RHEINMETALL AG-Firmenlogo
Verstärkung für unsere technischen Projekte im Bereich Engineering und IT (m/w/d) RHEINMETALL AG
deutschlandweit Zum Job 
Stadtwerke München GmbH-Firmenlogo
Teamleitung Versorgungstechnik (m/w/d) Stadtwerke München GmbH
München Zum Job 
Stadtbetrieb Wetter (Ruhr)-Firmenlogo
Bauingenieur/in (m/w/d) als Fachbereichsleitung Tiefbau Stadtbetrieb Wetter (Ruhr)
Wetter (Ruhr) Zum Job 
Wolf GmbH-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur (m/w/d) für Heizsysteme Systemkomponenten Wolf GmbH
Mainburg Zum Job 
PNE AG-Firmenlogo
Projektmanager Power-to-X Projekte (m/w/d) PNE AG
Hamburg Zum Job 
GASCADE Gastransport GmbH-Firmenlogo
Pipelineingenieur (m/w/d) Schwerpunkt Inspektionen GASCADE Gastransport GmbH
XTENDED ENGINEERING GMBH-Firmenlogo
E/E System Integration Engineer (f/m/d) XTENDED ENGINEERING GMBH
München, Stuttgart, Nürnberg, Augsburg Zum Job 
GASCADE Gastransport GmbH-Firmenlogo
Schweißfachingenieur / Bauleiter (m/w/d) Schwerpunkt Offshore-Pipelinebau GASCADE Gastransport GmbH
landesweit Zum Job 
Säurefliesner-Vereinigung e.V.-Firmenlogo
Prüf-/Bauingenieur (m/w/d) mit baustoffkundlichem Interesse Säurefliesner-Vereinigung e.V.
Burgwedel Zum Job 
XTENDED ENGINEERING GMBH-Firmenlogo
Embedded Software/Systems Engineer (f/m/d) XTENDED ENGINEERING GMBH
München, Stuttgart, Nürnberg, Augsburg Zum Job 
XTENDED ENGINEERING GMBH-Firmenlogo
Teamleitung / Projektleitung / Modulleitung (w/m/d) XTENDED ENGINEERING GMBH
Nürnberg, Augsburg, Stuttgart, München Zum Job 
LVR-Klinikum Düsseldorf-Firmenlogo
Meisterin / Meister (m/w/d) Elektrotechnik LVR-Klinikum Düsseldorf
Düsseldorf Zum Job 
ONTRAS Gastransport GmbH-Firmenlogo
Fachverantwortlicher CO2 - Transport (m/w/d) ONTRAS Gastransport GmbH
Leipzig Zum Job 
Landesbaudirektion Bayern-Firmenlogo
Ingenieur (w/m/d), staatlich geprüfter Techniker (w/m/d) im Bereich Schießanlagen Landesbaudirektion Bayern
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.-Firmenlogo
Ingenieur/in Luft- und Raumfahrttechnik oder Naturwissenschaftler/in o. ä. (w/m/d) Konzept- und Technologieentwicklung für resiliente Weltraum-Systeme und Responsive Space Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
Faßberg Zum Job 
Eidgenössisches Institut für Geistiges Eigentum-Firmenlogo
Ingenieur oder Naturwissenschaftler als Patentexperte (w/m/d) Eidgenössisches Institut für Geistiges Eigentum
Bern (Schweiz) Zum Job 
Eidgenössisches Institut für Geistiges Eigentum-Firmenlogo
Patentexperte Fachrichtung Computerwissenschaften oder Nachrichtentechnik (w/m/d) Eidgenössisches Institut für Geistiges Eigentum
Bern (Schweiz) Zum Job 
Advanced Nuclear Fuels GmbH-Firmenlogo
Verfahrensingenieur (m/w/d) Komponentenfertigung Advanced Nuclear Fuels GmbH
Karlstein Zum Job 
Stadtwerke Aalen GmbH-Firmenlogo
Abschlussarbeit - Bachelor Stadtwerke Aalen GmbH
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP)-Firmenlogo
Ingenieur*in (m⁠/⁠w⁠/⁠d) Verfahrenstechnik für innovative Wasserstofftechnologien Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP)
Rostock, Greifswald Zum Job 

Forscher der ETH-Zürich um André Studart, Professor für komplexe Materialien, haben jetzt ein neues Verfahren entwickelt, das unsere Zähne perfekt imitiert. Den Materialforschern ist gelungen, in einem einzigen Stück verschiedene Lagen mit unterschiedlich orientierten Mikroplättchen zu fertigen. Zähne eben.

„Magnetisch unterstützer Schlickerguss“

„Das Schöne an unserem neuen Verfahren ist, dass es auf einer 100-jährigen Technik aufbaut und diese mit moderner Materialforschung kombiniert“, sagt der Doktorand Tobias Niebel, Mitautor einer Studie, die jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ erschienen ist. Ihr Verfahren nennen die ETH-Materialwissenschaftler „magnetisch unterstützten Schlickerguss“, was sich lustig anhört, aber außerordentlich trickreich und vor allem super einfach ist.

Querschnitt des künstlichen Zahns unter dem Elektronenmikroskop (Falschfarbenbild): Im Zahnschmelz sind Keramikplättchen vertikal angeordnet, im Zahnbein schräg bis horizontal.

Querschnitt des künstlichen Zahns unter dem Elektronenmikroskop (Falschfarbenbild): Im Zahnschmelz sind Keramikplättchen vertikal angeordnet, im Zahnbein schräg bis horizontal.

Quelle: Hortense Le Ferrand / ETH Zürich

Zunächst fertigen die Forscher von einem beliebigen Objekt einen Gipsabdruck. Der dient dann ganz altmodisch als Gussform. In die Form gießen sie eine Suspension, die magnetisierte Keramikplättchen enthält, beispielsweise Aluminiumoxid-Plättchen. Weil die Poren der Gipsform den flüssigen Anteil der Suspension langsam aufsaugen, verfestigt sich das Material von außen nach innen.

Nun kommt der Trick: Während die Forscher ihre Suspension langsam in die Form gießen, legen sie ein Magnetfeld an, dessen Richtung sie in regelmäßigen Abständen ändern. Die Keramikplättchen richten sich dabei am Magnetfeld aus. Wenn das Material vollständig ausgehärtet ist, behalten die Plättchen ihre Orientierung.

Zehnmal schneller als der 3D-Druck

„Unsere Technik ist ähnlich wie 3D-Printing, jedoch zehnmal schneller und viel kostengünstiger“, berichtet Florian Bouville, der bei André Studard Postdoc und Co-Autor der Studie ist. Zur Demonstration hat die Forschergruppe nun einen künstlichen Zahn hergestellt, dessen Mikrostruktur einen echten Zahn imitiert. Genau wie beim natürlichen Vorbild ist beim Kunstzahn die Oberfläche hart und komplex strukturiert, während die darunter liegende Schicht weicher ist, wie beim echten Zahnbein.

Das natürliche Vorbild in der Gipsform (l.), das Imitat aus dem neuartigen Verbundmaterial, das bereits gesintert wurde, sowie ein in einen Sockel eingepasster Kunstzahn, der für die Elektronenmikroskopie mit Platin beschichtet wurde.

Das natürliche Vorbild in der Gipsform (l.), das Imitat aus dem neuartigen Verbundmaterial, das bereits gesintert wurde, sowie ein in einen Sockel eingepasster Kunstzahn, der für die Elektronenmikroskopie mit Platin beschichtet wurde.

Quelle: Tobias Niebel/ETH Zürich)

Ein Gipsabdruck eines menschlichen Weisheitszahnes diente als Gussform. Zuerst füllten sie die Form mit einer Suspension, die Keramikplättchen und Glas-Nanopartikel als Mörtel enthielt. Mit Hilfe des Magneten verpassten sie den Keramikplättchen eine Orientierung senkrecht zur Oberfläche. Nachdem diese Lage getrocknet war, gossen sie eine zweite Suspension ohne Glaspartikel in die Form. In dieser zweiten Lage orientierten sie die Keramikplättchen waagerecht zur Zahnoberfläche.

„Man muss dessen Aussehen stark optimieren“

Der Kunstzahn wurde anschließend bei 1600 °Celsius gebrannt, um ihn zu härten und zu verdichten. Einige wenige Restporen füllten die Forscher mit einem Kunststoff-Monomer aus der Zahnmedizin, welches sich im Anschluss polymerisierte. Dann musste der fertige künstliche Weisheitszahn auf den Prüfstand.

Das Ergebnis stimmt optimistisch: „Das für den Kunstzahn erhobene Profil für Härte und Zähigkeit deckt sich genau mit demjenigen eines natürlichen Zahnes“, freut sich Studart, der allerdings sogleich einschränkt. „Damit man das Material als Zahnersatz verwenden kann, muss man jedoch dessen Aussehen stark optimieren.“

Ein Beitrag von:

  • Detlef Stoller

    Detlef Stoller ist Diplom-Photoingenieur. Er ist Fachjournalist für Umweltfragen und schreibt für verschiedene Printmagazine, Online-Medien und TV-Formate.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.