Entwicklung einer miniaturisierten Thermogravimetrie zur Untersuchung von Biomineralien

• Antragsteller: Dr. Rüdiger Berger; Dr. Filipe Andre da Silva Raminhos Natalio
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269130442

Biomineralien inspirieren derzeit die Entwicklung von neuen Materialien wie z.B. Glasschwämme. Die besonderen Materialeigenschaften sind durch die hierarchische Organisation von der anorganischen und organischen Komponente bestimmt. Um diese Eigenschaften besser zu verstehen und auf andere Materialien zu übertragen, ist es wichtig, sowohl den organischenAnteil in Biomineralien als auch deren Verteilung darin zu messen. Derzeit ist jedoch die Bestimmung des organischen Anteils in Biomineralien durch die Auflösung von thermogravimetrischen Geräten limitiert. Innerhalb unseres Projekts wollen wir eine neue Gravimetrie-Methode entwickeln, die es erlaubt, Einwaagen von 1 ng oder weniger zu untersuchen. Schlüsselelement der thermogravimetrischen Methode ist ein geheizter Mikrofederbalken, der in resonante Schwingungen versetzt werden kann. Die gezielte Analyse von individuellen mikrometer-großen Objekten wird es uns erlauben, bekannte Artefakte auszuschließen. Diese Artefakte werden derzeit aufgrund der gegebenen technischen Limitierung auf mg Probenmengen toleriert. Ohne diese Limitierung werden wir das Zusammenspiel zwischen Biomolekül und Mineralisierung besser aufzuklären können. In einer Machbarkeitsstudie untersuchen wir synthetisch hergestellte und natürlich vorkommende CaCO3-Biominerialien. Des Weiteren wollen wir versuchen in-situ die Dynamik der Biomineralisation zu verfolgen. Hierzu wird der Federbalken an definierten Stellen mit Proteinen, Peptiden oder Polymeren funktionalisiert und in eine temperierte Flüssigkeitszelle gebracht, die Biomineralisierung an den funktionalisierten Stellen ermöglicht. In einem weiteren Arbeitspaket wollen wir die Verteilung der Biomoleküle im Biomineral ermitteln. Wir glauben, dass die Verteilung einen wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Minerals hat. Wir setzen hierzu Rastersonden- und Nanoindentations-Methoden ein und korrelieren mechanische Eigenschaften des Minerals mit der Verteilung lokaler mechanischer und Adhäsions-Eigenschaften. Zusätzlich möchten wir mit diesem Projekt internationale Kooperationen mit Wissenschaftlern in Indien und Kanada durchführen: Einerseits sollen Federbalken hergestellt werden, die einen höhere Masseauflösung und bessere Probenheizung aufweisen (Kooperation mit Prof. R. Rao, Indien). Andererseits möchten wir Infrarot-Absorption-Spektroskopie auf den Federbalken durchführen, was uns einen Einblick in Phasenübergänge geben wird, an denen organische Komponenten nicht beteiligt sind (Kooperation mit Prof. Thundat, Kanada).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Indien, Kanada
• Kooperationspartner: Professor Dr. V. Ramgopal Rao; Professor Thomas G. Thundat, Ph.D.