Und der Haifisch, der hat Zähne…

Atomar aufgelöste Abbildung von Fluor im Zahnschmelz von Haien

28.01.2014 - Japan

Das Gebiss von Haien ist vermutlich das gesündeste in der Tierwelt. Grund ist ein besonders harter Zahnschmelz. Wie dieser aufgebaut ist, konnten japanische Wissenschaftler jetzt mit einem speziellen elektronenmikroskopischen Verfahren atomar aufgelöst abbilden. In der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten sie von einer ungewöhnlich starken Bindung von Fluoratomen an Calciumatome, die mit für die besondere Härte und Karies-Beständigkeit der Haizähne verantwortlich sein könnte.

Biomineralien spielen wichtige Rolle für viele Lebewesen. Auch unsere Knochen und Zähne bestehen aus den kompliziert aufgebauten Verbundmaterialien aus Biomolekülen und anorganischen Stoffen. Der Zahnschmelz von Haien enthält hauptsächlich Fluorapatit (Ca₅[F|(PO₄)₃]), einem Calcium, Fluor und Phosphat enthaltenden Mineral mit hexagonaler Kristallstruktur. Aber was genau macht den Zahnschmelz der Haizähne so besonders standhaft? Bisher weiß man, dass er eine hohe Dichte an Fluorapatit-Kristallen bei nur geringem Gehalt an organischer Matrix aufweist.

Die Aufklärung der genauen Struktur von Biomineralien gestaltet sich ausgesprochen schwierig. Untersuchungen mit der Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM) lieferten bisher bestenfalls Informationen im Nanomaßstab. Fortschritte wie die Aberrationskorrektur haben die TEM zwar prinzipiell in die Lage versetzt, eine ausreichende Auflösung zu erreichen, aber die Signale sind schwach, die untersuchten Strukturen ausgesprochen komplex und der Elektronenstrahl beschädigt die Biomineralien. Dem Team um Yuichi Ikuhara ist es jetzt erstmals gelungen, Zahnschmelz von Haien weitgehend zerstörungsfrei mit der TEM und der Raster-TEM (STEM) zu untersuchen. Die Forscher von der Tohoku University, der Graduate School of Tokyo Medical and Dental University und dem Fine Ceramics Center setzten dazu eine aberrationskorrigierte Elektronenmikroskopie-Technik ein, die mit einer sehr geringen Strahlungsstärke auskommt. Dies gelang mit einer kleineren Kondenser-Blende und der Verteilung des Elektronenstrahls auf einen weiteren Bereich der Probe als gewöhnlich.

Die Wissenschaftler konnten so jede individuelle Atom-Säule innerhalb der komplexen Fluorapatitstruktur räumlich auflösen. Der Schmelz besteht aus Bündeln einkristalliner Nanostäbchen aus Fluorapatit mit einem Durchmesser von etwa 50 nm. Die hexagonale Kristallform ließ sich ebenfalls belegen. Jedes Sechseck besteht dabei aus Calcium-, Phosphor- und Sauerstoffatomen mit einem Fluoratom in der Mitte. Mithilfe von Ab-initio-Rechnungen stellten die Forscher fest, dass die Fluoratome nicht rein ionisch an die umgebenden Calciumatome gebunden sind, sondern über eine Mischform aus kovalenter und Ionenbindung. Dies scheint eine der Hauptursachen für die besondere Kariesresistenz der Haizähne zu sein.