Biomineralien im Chitonzahn: Von Biosynthese zu bioinspiriertem Design von hochfesten Materialien

• Antragsteller: Dr. Linus Stegbauer
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390531587

Die Natur kontrolliert in unerreichter Weise Struktur und Eigenschaften von mineralisiertem Gewebe – sogenannten Biomineralien - wie z.B. Zähnen und Knochen. Dabei ist sie in der Lage, Einkristalle in jeglicher Gestalt zu formen und stabile und leichte, sich selbst-reparierende Skelette zu erschaffen. Eine organische Matrix, die die Mineralien umgibt, spielt eine entscheidende Rolle bei der Wahl und Erschaffung der metastabilen, vorläufigen Mineralien und ihre Umwandlung in das finale Biomineral. Organismen können auf diese Weise die Ordnung der Mineralien auf atomarer Ebene kontrollieren und übertreffen somit weit unsere jetzigen synthetischen Möglichkeiten in der Herstellung von Materialien, welche sehr viel Energie benötigt. In der Medizin, Halbleiterherstellung und im Bauwesen werden z.B. häufig äußerst ernergieintensive "Top-Down" Prozesse benutzt, die hohe Temperaturen und Drücke erfordern und viel Kohlendioxid produzieren. Als Wissenschaftler liegt es in unserer Verantwortung, innovative Methoden zu finden, um den Kohlendioxidausstoß dieser Verfahren zu verringern. Das Ziel dieses Projektes ist es, die Biomineralisation des Chitonzahns, der aus dem bisher bekannten härtesten biogenen Material, einem Magnetit-Chitin-Nanoverbundwerkstoff, besteht, besser zu verstehen und dieses neue Wissen auf die Synthese von neuen Verbundwerkstoffen mit eben diesen herausragenden Eigenschaften übertragen zu können. Dafür wird (1) erstens durch neueste proteomische Methoden herausgefunden, welche Rolle die Proteine in der organischen Matrix während der Zahnbildung spielen. (2) Zweitens werden die vorhandenen Eisenverbindungen in den verschiedenen Entwicklungsstadien des Zahns mit der neuen Mößbauer-Bildgebung charakterisiert und visualisiert. Diese Ansätze geben Informationen über die Eisenverbindungen wie z.B. der Oxidationszustand sowie die koordinierenden funktionellen Gruppen. Basierend auf den Erkenntnissen aus Punkt 1 und 2, werden (3) drittens selbstanordnende Monolagen (SAMs) auf Goldoberflächen verwendet, um die organisch/anorganischen Wechselwirkungen nachzuahmen. (4) Im vierten Teil des Projekts wird das durch die vorherigen Ansätze erlangte Wissen angewandt, um einen bioinspirierten, funktionalisierten Magnetit-Chitin-Nanoverbundwerkstoffs herzustellen. Dieses interdisziplinäre Projekt ist zwischen den Gebieten der Chemie, Biologie und den Materialwissenschaftlen angesiedelt und wird mir helfen, meinen eigenen Forschungsschwerpunkt für meine weitere akademische Karriere zu setzen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Derk Joester