Auf der Spur des Knochenminerals

17.11.2010: Calciumphosphat ist im Skelett eines der wertvollsten Mate­rialien: Als Hauptbestandteil von Zähnen und Knochen sorgt es für Härte und Stabilität. Bei Arteriosklerose jedoch ist die Ablagerung der kristallinen ionischen Verbindung aus Kalk, Phosphor und Sauerstoff ein ebenso gewichtiger wie verhängnisvoller Faktor. Wissenschaftlich ist noch nicht vollständig geklärt, wie sich dieses Mineral im Körper bildet. Beobachtungen dazu gelangen einer niederländisch-deutschen Forschergruppe in einem Modellsystem, das eine Körperflüssigkeit simuliert. An den Arbeiten war Dr. Julia Will, Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Glas und Keramik) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg beteiligt.

Bereits zuvor wurde davon ausgegangen, dass Calciumphosphat zunächst eine Vorstufe durchläuft, gekennzeichnet durch eine ungeordnete Struktur, die der Mineralisierung vorangeht (amorphes Calciumphosphat, ACP). Ein in Nature Materials veröffentlichtes Paper visualisiert zum ersten Mal die Bildung von Calciumphosphat aus einem Serum. Ein Monolayer - eine Schicht von der Dicke eines einzigen Moleküls - fungierte dabei als Andockstelle für die Kristallisation. Sichtbar wurde der Prozess durch den Einsatz eines höchstauflösenden Mikroskops für die direkte Abbildung von Objekten mittels Elektronenstrahlen (Transmissionselektronenmikroskopie, TEM). Zu diesem Zweck wurden die Proben in verschiedenen Stadien einer Cryo-Fixierung unterzogen, d. h. in flüssigem Ethan schockgefroren (Cryo TEM).

Die Mineralisation von Calciumphophat im Modell der simulierten Körperflüssigkeit verlief über mehrere Stufen. Aus Ionen im Serum bildeten sich erst Cluster, frei bewegliche Ansammlungen im Nanomaß­stab. Danach entstand ACP, das sich in immer stärkerer Dichte am Monolayer anlagerte. Schließlich waren orientierte, im typischen Gitter ausgerichtete Apatit-Kristalle festzustellen, die Endphase des Calciumphophat-Minerals.

Der Arbeitsgruppe gehörten Wissenschaftler der Technischen Universität Eindhoven (Niederlande) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena an. Die Arbeit entstand innerhalb des EU-Verbundprojektes „TEM-Plant“ unter der Projektkoordinatorin Dr. Anna Tampieri, Istituto di scienza e tecnologia dei materiali ceramici (ISTEC), Italien (NMP4-CT-2006-033277).

Originalveröffentlichung: Nature Materials, 14. 10. 2010: Nico A. J. M. Sommerdijk et al., "Cryo-TEM yields a comprehensive model for the surface induced crystallization of calcium phosphate"