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.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Airbus-Firmenlogo
Program Certification Engineering (d/m/f) Airbus
Manching Zum Job 
Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH-Firmenlogo
Entwickler autonomes Fahren - Funktionsentwicklung (m/w/d) Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH
Schwieberdingen Zum Job 
Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH-Firmenlogo
Development Engineer Hardware (m/w/d) Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH
Schwieberdingen Zum Job 
Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH-Firmenlogo
Development Engineer Mechatronic Design (m/w/d) Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH
Schwieberdingen Zum Job 
MTU Aero Engines AG-Firmenlogo
Verfahrensspezialist Additive Fertigung (all genders) MTU Aero Engines AG
München Zum Job 
MTU Aero Engines AG-Firmenlogo
Projektingenieur / Projektmanager PW1100 (all genders) MTU Aero Engines AG
München Zum Job 
MTU Aero Engines AG-Firmenlogo
Manager Qualitätsmethoden & Risikomanagement (all genders) MTU Aero Engines AG
München Zum Job 
KLEEMANN GmbH-Firmenlogo
Hardware - Ingenieur Elektrifizierung m/w/d KLEEMANN GmbH
Göppingen Zum Job 
KLEEMANN GmbH-Firmenlogo
Software - Ingenieur Digitalisierung (m/w/d) KLEEMANN GmbH
Göppingen Zum Job 
EMBL-Firmenlogo
Engineers and developers for life science technologies (ARISE MSCA fellowships) (m/f/d) EMBL
Heidelberg Zum Job 
Berliner Wasserbetriebe-Firmenlogo
Ingenieur:in (w/m/d) Anlagentechnik Pumpwerke Berliner Wasserbetriebe
THOST Projektmanagement GmbH-Firmenlogo
Consultant Digital Transformation (m/w/d) THOST Projektmanagement GmbH
München, Stuttgart, Freiburg, Mannheim, Memmingen Zum Job 
WACKER-Firmenlogo
Procurement Manager (m/w/d) CSA / Bauleistungen WACKER
Burghausen Zum Job 
Junghans microtec GmbH-Firmenlogo
Elektronikingenieur (m/w/d) Junghans microtec GmbH
Dunningen-Seedorf (bei Villingen-Schwenningen) Zum Job 
SWU Stadtwerke Ulm/Neu-Ulm GmbH-Firmenlogo
Vertriebsmitarbeiter (m/w/d) Fernwärme SWU Stadtwerke Ulm/Neu-Ulm GmbH
Ulm, Neu-Ulm Zum Job 
SWU Stadtwerke Ulm/Neu-Ulm GmbH-Firmenlogo
Koordinator (m/w/d) Lichtsignalanlagen SWU Stadtwerke Ulm/Neu-Ulm GmbH
Ulm, Neu-Ulm Zum Job 
THOST Projektmanagement GmbH-Firmenlogo
Architekt*in / Ingenieur*in (m/w/d) Bereich Bau / Immobilien THOST Projektmanagement GmbH
Karlsruhe Zum Job 
Energieversorgung Halle Netz GmbH-Firmenlogo
Ingenieur Energietechnik / Energiedatenmanagement (m/w/d) Energieversorgung Halle Netz GmbH
Halle (Saale) Zum Job 
MED-EL Medical Electronics-Firmenlogo
R&D Engineer, Surgical Tools (m/f/d) MED-EL Medical Electronics
Innsbruck (Österreich) Zum Job 
Netz Leipzig GmbH-Firmenlogo
Ingenieur als Teamleiter Planung / Bau - Energieanlagen & Energienetze (m/w/d) Netz Leipzig GmbH
Leipzig Zum Job 

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.