Nicht alle Knochen-Nanokomposite sind gleich: Struktur-Wasser-Mikromechanik von Fischknochen mit und ohne Osteozyten

• Antragsteller: Professor Dr. Paul Zaslansky
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Physiologie der Tiere ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514919660

Säugetierskelette bestehen aus Knochen, einem Nanokomposit aus mineralisierten Kollagenfasern und Wasser sowie einem kleinen Anteil nicht-kollagener Proteine. Dank eines biologischen Mechanismus der Selbstheilung akkumulierter Mikroschädigung und der Möglichkeit der Anpassung an sich verändernde Beanspruchungen (Knochenum- und -aufbau), widersteht Knochen sich wiederholenden mechanischen Beanspruchungen über lange Zeiten ohne zu versagen. Im umfassend untersuchten Säugetierknochen ist die herrschende Lehrmeinung, dass Knochenum- und -aufbau von Knochenzellen (Osteozyten) reguliert und aktiviert werden, die in Lakunen in der Knochenmatrix sitzen und über Canaliculi kommunizieren. Es ist deshalb überraschend, dass das Knochenmaterial einer großen Gruppe der evolutionär höher stehenden Teleosteer komplett frei von Osteozyten ist (anosteozytischer Knochen). Untersuchungen im Vorgängerprojekt zeigten eine Reihe von Unterschieden zwischen den beiden Knochentypen, die helfen können zu verstehen, wie Knochenum- und -aufbau ohne und mit Osteozyten stattfinden kann. Die beiden Knochentypen sollen vertieft untersucht werden, um die Unterschiede im Zusammenhang von Struktur und mechanischer Funktion zwischen den Knochentypen von Medaka und Zebrafischen, die in der ersten Förderperiode in vivo untersucht wurden, besser zu verstehen. Neue, rechnerbasierte Versuche werden genutzt, um bereits gesammelte Daten aus dem Vorgängerprojekt aufzuarbeiten. Weiterhin sollen Unterschiede in der Zusammensetzung, Mikrostruktur und Wasserpermeabilität quantifiziert werden. Darüber hinaus soll die mechanische Verformungsantwort wird mit Hilfe von 3D-Ergebnissen aus in situ Belastungsversuchen und FE Analysen verglichen. Die bisherigen Untersuchungen ergaben außerdem einen unerwarteten Unterschied in der Wasserdiffusion in der extrazellulären Matrix zwischen anosteozytischem und osteozytischem Knochen, trotz einer sehr ähnlichen Zusammensetzung der mineralisierten Kollagenfasern. Dieser Unterschied soll weiter untersucht werden, und ebenso die Hypothese, dass Wasserdiffusion vermutlich der Spannungsübertragung in osteozytischem Knochen dient. Spannungen, die bei der Dehydrierung des Knochens auftreten, werden genutzt, um Unterschiede bezüglich der Rissanfälligkeit zwischen den beiden Knochentypen zu untersuchen. Die Kombination der vorgeschlagenen Methoden zielt auf ein besseres Verständnis von Geometrie, Textur und Wassergehalt von anosteozytischem und osteozytischem Knochen, was neue Einblicke in den Umgang von Knochen mit mechanischer Beanspruchung, unter Vermeidung von Schädigung, ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. Ron Shahar