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.

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.

Foto: 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.

Foto: 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.“

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