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Dreidimensionale Charakterisierung der Mikrostruktur des Dentins

Märten, Anke

Dentin, der Hauptbestandteil des Zahnes der Säugetiere, ist ein hierarchisch aufgebauter Komposit. Wie andere knochenähnlichen Materialien besteht es aus einer organischen Kollagenfasermatrix, anorganischem Kalziumphosphat, welches als Hydroxylapatit vorliegt, und Wasser. Dentin ist – unterscheidend vom Knochen – nicht zum Umbau des Gewebes fähig. Außerdem sind Mineral-Grenzschichten sowie die Tubuli, kleine Kanäle, die das Dentin durchziehen, ausschließlich im Dentin zu finden. Obwohl Dentin seit mehr als 100 Jahren untersucht wird, werden die Veränderungen der submikroskopischen Struktur und Unterschiede in der Anordnung des mineralisierten Kollagennetzwerkes nicht gut verstanden. Dabei sind diese Kenntnisse für die Bewertung der Beziehung zwischen Struktur und Eigenschaften entscheidend, um sowohl die Langlebigkeit des Zahnes zu verstehen als auch neue Materialien biomimetisch zu entwickeln. In der vorliegenden Arbeit wurden polarisationslichtmikroskopische, rasterelektro-nenmikroskopische und Raman-spektroskopische Analysen mit Röntgenstreumethoden und Mikro-Tomografie verknüpft, um die dreidimensionale Anordnung und Verteilung des mineralisierten Kollagen-Netzwerkes zu charakteri-sieren. Es wurden besonders umfangreiche zweidimensionale Abrasterungen des Dentins mittels Kleinwinkelröntgenstreumethode durchgeführt, die die Bestimmung der Größe und Ausrichtung Mineralteilchen sowie die Bestimmung deren Mineral-volumenanteil ermöglichten. Demzufolge zeigen spezifische Regionen Material- und Strukturgradienten im sub- und mikroskopischen Bereich. Insbesondere die Mineralteilchen, nur wenige Nanometer dick, sind unterschiedlich im Zahn ange-ordnet. Diese Regionen befinden sich im Dentin nahe den zervikalen Seiten des Zahnes, sowie unterhalb der Dentinhöcker diagonal in Längsrichtung des Zahnes. Es wird gezeigt, dass die Anordnung der mineralisierten Kollagenfasern von der Ar-chitektur des Zahnes, nicht aber von den anisotropen Strukturmerkmalen, den Tubuli, bedingt wird. Diese lokalen Charakteristika und strukturellen Gradierungen der Mikrostruktur sind für die Anpassung an die dauerhafte mechanische Belastung und damit für die Langlebigkeit des Zahnes maßgeblich.
Dentin, the main tissue of all mammalian teeth, is a hierarchically structured composite. As with other bone-like materials, it is composed of an organic collagen fiber matrix, an inorganic calcium-phosphate salt – hydroxyapatite – and water. Unlike bone however, dentin does not remodel and contains some distinct mineral inter-faces as well as tubules that make it porous. Although dentin has been investigated for more than 100 years, small but important variations of the structure at the sub-micron length scale and specifically differing arrangement of the mineralized fiber networks are not well understood. Such information is critical to interpret the relation between structure and properties, which is needed to understand the long-lasting endurance of these organs, as well as for biomimetic development of new materials. In the present work polarized light microscopy, scanning electron microscopy and Raman-spectroscopy were used in conjunction with X-ray scattering, diffraction and micro-tomography to better understand the three-dimensional arrangement and distribution of the mineral in and near the collagen-fiber mesh. Specifically, extensive mapping by scanning small-angle X-ray scattering (SAXS) allowed to determine the sizes and alignments of the mineral particles and corresponding mineral volume fractions. Thus, specific regions exhibit gradients of material and structure at the nanometer as well as the micrometer length scales. In particular, the nanometer sized particles are arranged differently in dentin on the sides of teeth – near the cervical regions where the crowns meet the roots, and also diagonally beneath the cusps. It is shown that the arrangement of the mineralized collagen mesh is related to the overall architecture of the tooth and not to the anisotropic tubular structural features. The local characteristics and structural gradations of the microstructure are believed to be important for the adaptation of teeth to their long-lasting mechanical function.