SPP 1117: Prinzipien der Biomineralisation
Biologie
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Medizin
Physik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Schwerpunktprogramm „Prinzipien der Biomineralisation“ der DFG wurde im Zeitraum von 2001 bis 2007 in drei Förderperioden à zwei Jahren gefördert. Biominerale wie Schneckenschalen oder Knochen stellen von Lebewesen hergestellte Materialien dar, die anorganische Festkörperphasen enthalten und von der Natur im Rahmen der Evolution optimiert wurden. Für die Materialchemie und -verfahrenstechnik sind die Prozesse der Biomineralisation aus vielerlei Hinsicht sehr interessant, denn diese liefern unter sehr milden Bedingungen (neutrale pH-Werte, niedrige Temperaturen) Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften (z.B. Kompositmaterialien mit hoher Bruchzähigkeit wie Perlmutt). Im Zentrum des SPP stand die Aufklärung der grundlegenden Prinzipien der Biomineralisation. Um dieses Ziel zu erreichen, war die intensive Zusammenarbeit zwischen Biologen, Biophysikern, Biochemikern und Ärzten auf der einen Seite, Materialchemikern, Physikern sowie Mineralogen und Kristallographen auf der anderen Seite notwendig. Ein organisatorisches Ziel des SPP war es, im Bereich der Biomineralisationsforschung tätige Gruppen aus diesen verschiedenen Bereichen zusammenzuführen und Kooperationen zu initiieren und zu intensivieren. Resultierend daraus sollte die nur vereinzelt vorhandene internationale Sichtbarkeit der deutschen Forschung in diesem Gebiet in breiter Front verstärkt werden. Um ein konzentriertes Arbeiten zu ermöglichen, wurde angesichts dieses immens hohen Grads an Interdisziplinarität eine stoffliche Auswahl getroffen. Gefördert werden sollten Projekte, die die Biomineralisation von Siliciumdioxid, von Calciumphosphat und von Calciumcarbonat untersuchen. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit wurde durch zahlreiche Workshops, die zusätzlich zu den üblichen jährlichen Treffen ausgerichtet wurden, verstärkt. Ergebnisse, die für das Verständnis der Biomineralisation wichtig sind, in ihrer Bedeutung aber weit über dieses Feld hinausgehen, erzielte das SPP bei der Entwicklung des Konzepts der Nichtklassischen Kristallisation, die die seit der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts etablierte Kristallbildungstheorie (Kristallnukleation gefolgt von Kristallwachstum) deutlich modifiziert und ergänzt. Arbeiten im SPP beschrieben die Bildung von Mesokristallen, betonten die Bedeutung von amorphen anorganischen Precursor-Phasen und wiesen die Existenz von Pränukleationsclustern nach. Des weiteren wurde gezeigt, dass das Modell einer direkten strukturellen Beziehung zwischen Biomolekülen und anorganischen Kristallgrenzflächen (eptitaktische, templatgesteuerte Kristallbildung) in vielen untersuchten Fällen nicht zutrifft. Weitere Ergebnisse stärkten einen Trend, nach dem den an der Biomineralisation beteiligten Biomolekülen häufig eine eher „organisierende“ und „begleitende“ Rolle zukommt. Das SPP hat die internationale Sichtbarkeit der deutschen Biomineralisationsforschung deutlich gestärkt und wirkt nachhaltig, z.B. durch die Einrichtung der Schwerpunktprogramme 1420 (Biomimetic materials research: functionality by hierarchical structuring of materials) und SPP 1569 (Generation of multifunctional materials by molecular bionics), die die gewonnenen Erkenntnisse zur Herstellung neuartiger Materialien nutzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Bio-Inspired Construction of Silica Surface Patterns. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 2. WILEY-VCH (2007) (pages 193–207)
Olaf Helmecke, Peter Behrens and Henning Menzel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch35) - Biologically Inspired Crystallization of Calcium Carbonate beneath Monolayers: A Critical Overview. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 2. WILEY-VCH (2007) (pages 65–87)
Dirk Volkmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch28) - Biomimetic Bone Substitution Materials. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 3. WILEY-VCH (2007) (pages 81–95)
Matthias Epple
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch50) - Collagen: A Huge Matrix in Glass Sponge Flexible Spicules of the Meter-Long Hyalonema sieboldi. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 1. WILEY-VCH (2007) (pages 22–41)
Hermann Ehrlich and Hartmut Worch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch2) - Formation and Structure of Calciprotein Particles: The Calcium Phosphate-Ahsg/Fetuin-A Interface. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 1. WILEY-VCH (2007) (pages 415–431)
Alexander Heiss and Dietmar Schwahn
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch24) - Formation of Siliceous Spicules in Demosponges: Example Suberites domuncula. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 1. WILEY-VCH (2007) (pages 59–82)
Werner E. G. Müller, Xiaohong Wang, Sergey I. Belikov, Wolfgang Tremel, Ute Schloßmacher, Antonino Natoli, David Brandt, Alexandra Boreiko, Muhammad Nawaz Tahir, Isabel M. Müller and Heinz C. Schröder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch4) - Formation of Teeth. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 3. WILEY-VCH (2007) (pages 159–176)
Katharina Reichenmiller and Christian Klein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch55) - Mesocrystals: Examples of Non-Classical Crystallization. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 2. WILEY-VCH (2007) (pages 39–64)
Helmut Cölfen
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch27) - Organic Preforms of Biological Origin: Natural Plant Tissues as Templates for Inorganic and Zeolitic Macrostructures. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 2. WILEY-VCH (2007) (pages 255–288)
Alessandro Zamperi, Wilhelm Schwieger, Cordt Zollfrank and Peter Greil
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch38) - Statoliths of Calcium Sulfate Hemihydrate are used for Gravity Sensing in Rhopaliophoran Medusae (Cnidaria). In: Handbook of Biomineralization. Vol. 1. WILEY-VCH (2007) (pages 261–272)
Fabienne Boßelmann, Matthias Epple, Ilka Sötje and Henry Tiemann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch15) - Template Surfaces for the Formation of Calcium Carbonate. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 2. WILEY-VCH (2007) (pages 209–232)
Wolfgang Tremel, Jörg Küther, Mathias Balz, Niklas Loges and Stephan E. Wolf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch36) - The Application of Synchrotron Radiation-Based Micro-Computer Tomography in Biomineralization. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 1. WILEY-VCH (2007) (pages 369–380)
Frank Neues, Felix Beckmann, Andreas Ziegler and Mathias Epple
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch21) - The Biological and Cellular Role of Fetuin Family Proteins in Biomineralization. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 3. WILEY-VCH (2007) (pages 317– 328)
Cora Schäfer and Willi Jahnen-Dechent
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch64) - Tissue Engineering of Bone. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 3. WILEY-VCH (2007) (pages 145–156)
Hans-Peter Wiesmann, Beate Lüttenberg and Ulrich Meyer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch54) - Uptake of Silicon in Different Plant Species. In: Handbook of Biomineralization. Vol. 1. WILEY-VCH (2007) (pages 113–124)
Jian Feng Ma
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9783527619443.ch7)
