Wissenschafter der Universität von Santa Barbara in Kalifornien wollen herausgefunden haben, wieso Knochen ohne Bruch relativ große Mengen an Energie absorbieren können. Der Theorie der Forscher zu Folge führt die beim Zusammenprall von Knochen mit einem Objekt freiwerdende Energie zum Teil zum Brechen von chemischen Bindungen zwischen Collagenmolekülen. Da somit ein Teil der mechanischen Energie des Zusammenpralls in chemische Energie umgewandelt wird, können die Knochen einen Zusammenprall besser überstehen, berichten die Forscher im Fachblatt Nature (Bd. 414, S. 773).
Das Team um James Thompson untersuchte die Belastungsfähigkeit von Collagenmolekülen – einem integralen Bestandteil von Knochen. Dazu streckten sie mit der Diamantspitze eines Atomkraftmikroskops mehrere Collagenmoleküle, die sich auf einer Glasplatte oder der Oberfläche von Knochen befanden. Es gelang ihnen, die Kraft-Ausdehnungscharakteristik der Collagenmoleküle aufzunehmen: Diese in der Physik als force-distance-curves bezeichneten Studien untersuchen die Höhe von Kräften, die erforderlich sind, um ein bestimmtes physikalisches Objekt zu strecken.
Die Kraft-Ausdehnungscharakteristik der Collagenmoleküle hat die Form einer Sägezahnkurve: Während zuerst die zur Streckung der Moleküle benötigte Kraft proportional zur erzielten Ausdehnung der Moleküle einsteigt, bricht diese Kraft bei bestimmten Ausdehnungen plötzlich zusammen: Nun ist weniger Kraft erforderlich, um die Moleküle weiter zu strecken.
Die Forscher führen dieses Verhalten auf ein Zusammenbrechen von chemischen Bindungen zwischen Collagenmolekülen zurück. Wenn diese Bindungen bei bestimmten Kräften brechen, so reicht im folgenden eine relativ kleine Kraft zur weiteren Streckung der Moleküle aus. Durch dieses “Opfern” von chemischen Bindungen sind die Collagenmoleküle in der Lage, eine große Menge an Energie zu absorbieren – und genau dieser Umstand führt in den Augen der Forscher zu der großen Festigkeit von Knochen.
Unterstützt wird diese These durch den Umstand, dass sich zusammengebrochene Collagenbindungen im Laufe der Zeit wieder zurückbilden – die Festigkeit der Knochen nimmt zu. James Thompson konnte dies in seinen Experimenten aufzeigen. Gleichwohl ist seine Analyse in der Fachwelt noch umstritten. So führt eine große Zahl von Forschern die Festigkeit von Knochen auf die Ausbildung mikroskopisch kleiner Mikrorisse zurück. Diese Ausbildung von Rissen führe ihnen zu Folge auch zu einer erhöhten Absorption von Energie ohne einen Bruch des Knochens. Zur Klärung dieser unterschiedlichen Positionen werden damit noch weitere Experimente erforderlich sein.
Stefan Maier
