Characterisation of biogenic calcium carbonate and its crystallisation under biomimetic conditions in vitro

• Applicant: Professor Dr. Matthias Epple
• Subject Area: Biological and Biomimetic Chemistry
• Term: from 2001 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5315060

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Moderne struktursensitive Methoden, insbesondere unter Einsatz von Synchrotronstrahlung, wurden zur Untersuchung der Struktur von biomineralisierten Strukturen eingesetzt. Die Bildung der Schale in Schneckenembryonen konnte dabei auf der Mikrometer-Skala verfolgt werden. Besonders interessant ist die Mineralisation der Schale (Kutikula) von Asseln, die in periodischen Zyklen verläuft. Solche Krustentiere wechseln ihre Schale regelmäßig im Verlauf des Wachstums, wobei das darin enthaltene Calciumcarbonat vor dem Abwurf herausgelöst wird. Dies konnte klar mittels Mikrocomputertomographie gezeigt werden. Zusätzlich wurde die chemische Natur dieser biologischen Hartgewebe durch Analyse der darin enthaltenen Elemente und kristallinen Phasen umfassend abgeleitet. Die Simulation der biologischen Kristallisation von Calciumcarbonat gelang in einer computergestützten Doppeldiffusionsanlage, in der unter konstantgehaltenen Bedingungen eine Kristallisation durchgeführt wurde. Dies kommt dem biologischen Vorbild nahe, denn auch dort erfolgt die Kristallisation langsam und unter konstanten Bedingungen (pH-Wert, Konzentrationen). Schließlich gelang auch die Synthese von amorphem Calciumcarbonat und dessen eingehende Charakterisierung mit modernsten Methoden. Es zeigt sich, dass diese in der Biologie wichtige Zwischenphase je nach Vorgeschichte die Struktur des späteren Minerals bereits "eingeprägt" enthält.

Publications

• A crystallographic study of the love dart (gypsobellum) of the land snail Helix pomatia, Journal of Molluscan Studies 68 (2002) 249-254
  Hasse B, Marxen JC, Becker W, Ehrenberg H, Epple M
  
• Early mineralization in Biomphalaria glabrata: Microscopic and structural results, Journal of Molluscan Studies 69 (2003) 113-121
  Marxen JC, Becker W, Finke D, Hasse B, Epple M
  
• In-vitro crystallisation of calcium carbonate in the presence of biological additives – comparison of the ammonium carbonate method with double-diffusion techniques, Zeitschrift für Anorganische und All-gemeine Chemie 629 (2003) 2305-2311
  Becker A, Becker W, Marxen JC, Epple M
  
• Structural characterisation of amorphous calcium carbonate (ACC) in sternal deposits of the Crustacea Porcellio scaber, Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions 2003, 551-555
  Becker A, Bismayer U, Epple M, Fabritius H, Hasse B, Shi J, Ziegler A
  
• Schneckenhäuser, Haifischzähne, Hüftgelenke und Zahnprothesen, Der Mathematisch-Naturwissenschaftliche Unterricht 57 (2004) 404-410
  Epple M
  
• A high-throughput crystallisation device to study biomineralisation in vitro, Materials Research Society Symposium Proceedings 873E (2005) K12.1.1-K12.1.10
  Becker A, Epple M
  
• Application of synchrotron-radiation-based computer microtomography to selected biominerals: embryonic snails, statoliths of medusae, and human teeth, Journal of Biological Inorganic Chemistry 10 (2005) 688-695
  Prymak O, Tiemann H, Soetje I, Marxen JC, Klocke A, Kahl-Nieke B, Beckmann F, Donath T, Epple M
  
• In vitro synthesis and structural characterisation of amorphous calcium carbonate, Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie 631 (2005) 2830-2835
  Günther C, Becker A, Wolf G, Epple M
  
• The mineral phase in cuticles of terrestrial isopods (Crustacea) consists of magnesium calcite, amorphous calcium carbonate, and amorphous calcium phosphate, Dalton Transactions (2005) 1814-1820
  Becker A, Ziegler A, Epple M
  
• The crystallization of fluoroapatite dumbbells from supersaturated aqueous solution, Crystal Growth & Design 6 (2006) 498-506
  Prymak O, Sokolova V, Peitsch T, Epple M
  
• Monohydrocalcite and its relationship to hydrated amorphous calcium carbonate in biominerals, European Journal of Inorganic Chemistry (2007) 1953-1957
  Neumann M, Epple M
  
• The composition of the exoskeleton of two crustacea: The American lobster Homarus americanus and the edible crab Cancer pagurus, Thermochimica Acta 463 (2007) 65-68
  Boßelmann F, Romano P, Fabritius H, Raabe D, Epple M
  
• The composition of the mineralized cuticle in marine and terrestrial isopods: A comparative study, Crystal Engineering Communications 9 (2007) 1245-1251
  Neues F, Ziegler A, Epple M
  
• Continuous preparation of calcite, aragonite and vaterite, and of magnesium-substituted amorphous calcium carbonate (Mg-ACC), Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie 634 (2008) 1439-1443
  Nebel H, Epple M
  
• Embryonic shell formation in the snail Biomphalaria glabrata: A comparison between scanning electron microscopy (SEM) and synchrotron radiation micro computer tomography (SRµCT), Journal of Molluscan Studies 74 (2008) 19-25
  Marxen JC, Prymak O, Beckmann F, Neues F, Epple M
  
• Formation of calcium carbonate superstructures by rapid temperature change, Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie 634 (2008) 2355-2359
  Nebel H, Epple M
  
• On the structure of amorphous calcium carbonate – a detailed study by solid-state NMR spectroscopy, Inorganic Chemistry 47 (2008) 7874-7879
  Nebel H, Neumann M, Mayer C, Epple M
  
• X-ray micro computer tomography for the study of biomineralized endo- and exoskeletons of animals, Chemical Reviews 108 (2008) 4734-4741
  Neues F, Epple M