Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur biomimetischen Morphogenese von Apatit-Gelatine-Nanokompositen

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Brickmann; Professor Dr. Rüdiger Kniep
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 26845258

Der Ausgangspunkt für dieses Projekt liegt in der Beobachtung eines fraktalen Wachstumsmechanismus von Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositen und in der Feststellung, dass das chemische System Apatit-Gelatine (wässrige Lösungen und Gele) ein ideales Modell zur in vitro-Untersuchung von Teilschritten der Biomineralisation, speziell der Bildung von Knochen und Zähnen im menschlichen Organismus darstellt. Auf der experimentellen Seite konnte bereits eine ganze Reihe von Einzelerkenntnissen zusammengetragen werden (z. B. Phänomenologie, Komposit-Zusammensetzung, Realstruktur der Komposit-Keime, Formentwicklung durch loneneinflüsse). Die entscheidenden Fragen (Mechanismus der Keimbildung, hierarchische Musterbildung, Triebkraft der Selbstorganisationsprozesse) bleiben jedoch noch unbeantwortet und sollen durch Variation der experimentellen Bedingungen sowie Anwendung geeigneter Sonden aufgeklärt werden. Einen ganz wesentlichen Schritt in Richtung auf tieferes Verständnis für die komplexen biomimetischen Vorgänge versprechen wir uns durch die Entwicklung und Anwendung von Computersimulationen. In einer ¿Bottom-Up -Strategie gilt es zunächst, die Voraussetzungen auf der Basis empirischer lokaler atomarer Kraftfelder zu schaffen und ihre Eignung als Modellsystem für kleinere Teilschritte zu prüfen (z. B. Wechselwirkung von Apatit-Oberflächen mit wässrigen lonenlösungen, Aggregation von Calcium- und Phosphationen in wässriger Lösung, Bildung von ionischen Clustern (z B. CaF2) in wässriger Lösung, Wechselwirkung von Calcium- bzw. Phosphationen mit tripelhelicalen Gelatine-Fragmenten). Damit lässt sich nun die Aufgabe angehen, ein System aus Apatitbausteinen und Gelatine-Fragmenten in wässriger Lösung zu komponieren mit dem Ziel, Nukleationspositionen und Nukleationskeime für die Biomineralisation zu identifizieren. Durch geeignete ¿Vergröberung sollen schließlich aus den nanoskopischen Strukturen repräsentative ¿Bauelemente entwickelt werden, die als Basis für die Simulation der Strukturbildung bis in makroskopische Dimensionen (Morphogenese) dienen können. In einer ¿Top-Down -Strategie werden Konzepte und Simulationen eingesetzt, die geeignet sind, die aktuellen experimentellen Ergebnisse zu interpretieren. ¿Bottom-Up - und ¿Top-Down -Strategien sollten sich im fortschreitenden Ablauf des Projektes bis zur Überlappung aufeinander zubewegen. Durch engen wissenschaftlichen Austausch zwischen den Gruppen realisieren wir nicht nur kontinuierliche Abstimmung zwischen Theorie und Experiment, sondern gewinnen gleichzeitig ständig neue Erkenntnisse über Prinzipien der Biomineralisation.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen