Einfluss von Wasser auf molekulare und supramolekulare Struktur und mechanische Eigenschaften von faserartigen proteinbasierten Materialien

• Antragsteller: Admir Masic, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 243675033

Strukturelle Biomaterialien (BMs), wie Kollagen, Seide oder Knochen zeigen außergewöhnliches mechanisches Verhalten hauptsächlich auf Grund der Optimierung ihrer Struktur und Wechselwirkung auf vielen hierarchischen Ebenen (von molekularen zu makroskopischen Längenskalen). Es ist bekannt, dass Wasser eine entscheidende Rolle in der Stabilisierung der sekundären und tertiären Struktur von BMs spielt. Außerdem hat Wasser einen großen Einfluss auf die endgültigen mechanischen Eigenschaften von natürlichen und biomimetischen Materialien (wie Stärke, Festigkeit, Elastizität usw.). Darüber hinaus wurden außerordentliche Kräfte pro Molekül beobachtet, die allein durch Dehydrierung entstanden, z. B. bei kollagenbasierten Sehnen von Rattenschwänzen (die Kräfte pro Molekül waren etwa 20 Mal stärker als die bei Myosin). Der Mechanismus hinter dieser Krafterzeugung ist vollkommen unklar. Deshalb ist das Hauptziel dieses Projektes die Beziehung zwischen dem Grad der Dehydrierung und der biologischen Struktur zu verstehen. Gleichzeitig sollen die Eigenschaften auf molekularen und supramolekularen Skala mit der Krafterzeugung und ganz allgemein mit dem makroskopischen Verhalten von BMs korreliert werden. Um Materialien auf variablen Längenskalen einordnen zu können, planen wir die Kombination von in situ Experimenten mit Synchrotronstrahlung und polarisierter Ramanstreuung in kontrollierter Umgebung (Temperatur, Feuchtigkeit und Kraftanwendung). Um zuverlässige quantitative Informationen zu gewährleisten werden sowohl die Charakterisierungsmethoden als auch die externen Anregungen (mechanisch und thermisch) unter in situ Bedingungen gleichzeitig angewandt. Eine solche experimentelle Anordnung wird im Rahmen des Projektes entwickelt, aufgebaut und getestet und stellt damit eine einmalige experimentelle Möglichkeit in Deutschland und darüber hinaus dar. Um die experimentellen Ergebnisse zu unterstützen und um molekulares und supramolekulares Verhalten in Relation zur wasserinduzierten Krafterzeugung zu modellieren, werden state-of-the-art molekular-dynamische Simulationen ebenfalls zur Anwendung kommen. Konzepte die auf den Studien natürlicher Materialien entwickelt wurden, werden als Richtlinie für die Optimierung biomimetischer Strategien dienen, um so biomimetische Materialien herzustellen, die vergleichbares Verhalten zu ihren natürlichen Entsprechungen haben. In diesem Rahmen werden synthetische Fasern und Schichten mit Elektro-spinning und molekularen self-assembly Techniken erzeugt, indem man wiederhergestellte und rekombinante Vorstufen benutzt. Das letztendliche Ziel des Projektes ist die Erkenntnisse aus der Untersuchung von Struktur-Funktion Beziehung in BMs zur die Entwicklung neuer Strategien für Design und Erzeugung von biomimetischen und biomedizinischen Anwendungen zu übernehmen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1420: Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials
• Internationaler Bezug: Großbritannien, USA
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Markus Buehler; Professor Dr. Fritz Vollrath