SPP 1117: Principles of Biomineralization
Biology
Materials Science and Engineering
Medicine
Physics
Final Report Abstract
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.
Publications
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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
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Hans-Peter Wiesmann, Beate Lüttenberg and Ulrich Meyer
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Jian Feng Ma
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