COHESION – Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften von Zementschichten in Kortikalknochen

Knochen zeigt bemerkenswerte Kombinationen von Steifigkeit und Bruchzähigkeit, wenn man bedenkt, dass er aus eher weichen (Kollagen) oder spröden (Hydroxylapatit) Grundbestandteilen besteht. Der Grund für diese Eigenschaftsverstärkung liegt im hierarchischen Aufbau des Knochens und den damit einhergehenden zähigkeitssteigernden Mechanismen. Ein solcher wichtiger Mechanismus ist die Ablenkung und der Arrest von Rissen in Zementschichten, sehr dünnen Schichten (Dicke 1-5 µm), die Osteonen in der Mikrostruktur der Kortikalis umgeben. Aufgrund ihrer geringen Dimensionen sind die Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften der Zementschichten noch nicht im Detail untersucht worden, obwohl sie im Knochen eine entscheidende Rolle als Rissablenker spielen.

In diesem Projekt werden die Zusammensetzung und die Eigenschaften von Zementschichten in menschlichem Kompaktknochen als Funktion des Spenderalters, des Gewebealters, des Gesundheitsstatus (gesunde vs. osteoporotische Spender) und der Proteinquervernetzung untersucht. Aufgrund der geringen Dicke der Zementschichten werden an der FAU verschiedene nanomechanische Testverfahren (Nanoindentation, Mikropillar-Druckversuche, Mikrobruchexperimente) eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften und die Menge an Energie zu untersuchen, die bei der Ablenkung oder Arretierung eines Risses in den Zementschichten dissipiert wird. Außerdem wird die Quervernetzung von Proteinen in den Zementschichten durch biochemische Behandlungen künstlich erhöht, um die Auswirkungen auf die oben genannten mechanischen Eigenschaften zu untersuchen.

Dieses Weave-Projekt wird von DFG und FWF (Österreich) gefördert und ist in Zusammenarbeit mit dem Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik der TU Wien.