Das Knochenmaterial: Ein Nano-Komposit aus Mineral und Kollagen

Eine wesentliche Aufgabe des Knochens ist seine Stützfunktion für den Körper. Die dafür notwendigen mechanischen Eigenschaften erhält der Knochen durch seinen komplexen hierarchischen Aufbau. Makroskopisch unterscheidet man Geometrie und die innere Architektur im spongiösen und im kompakten Knochen (Röhrenknochen). Das Knochenmaterial selbst ist aus komplexen Strukturen bis zur Größenordnung von wenigen Nanometern aufgebaut. Auf der untersten Ebene ist die Knochenmatrix ein Kompositmaterial aus 2 Komponenten mit ganz unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften. Es besteht aus langen elastischen Fasern aus Typ-I-Kollagenfibrillen, in die harte 24 Nanometer dicke Kalziumphosphatpartikel eingelagert sind. Für die mechanische Kompetenz dieses Materials spielen viele Faktoren eine Rolle. Abweichungen z. B. im Aufbau oder bei der Quervernetzung der Kollagenmoleküle sowie in der Form, Größe und Anordnung der Mineralpartikel bewirken Veränderungen der mechanischen Eigenschaften. Wesentlich bestimmt auch der Grad der Mineralisierung die Elastizität (Steifigkeit) des Knochenmaterials. Bei Knochenerkrankungen können die beschriebenen Veränderungen im Knochenmaterial zu einem erhöhten Frakturrisiko führen. In vielen Fällen ist es daher wichtig, zusätzlich zu den biochemischen Parametern und der klinischen DEXAKnochendichtemessung eine Knochenbiopsie des betroffenen Patienten zu untersuchen. Neue methodische Ansätze erlauben es, gezielt bestimmte hierarchische Ebenen des Materials zu überprüfen und die Auswirkungen von Erkrankungen auf das Knochenmaterial zu erfassen. Diese Information ist nicht nur für das Verstehen verschiedenster Erkrankungen generell notwendig, sondern kann auch zur Bestimmung des Frakturrisikos und für die Therapieentscheidung für den einzelnen Patienten wichtig sein.