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Drittmittelprojekt

Titel:
Untersuchungen zur Mineralisation von CaCO3 in nach biologischem Vorbild künstlich funktionalisierten Hydrogelmatrices

Projektleitung an der Universität Würzburg:

Kurzbeschreibung:
In Analogie zu natürlichen Proteingerüsten wurden poly-Acrylamid-Hydrogele (p-AAm) mit polaren funktionellen Gruppen modifiziert, die in der Biomineralisation in vivo eine wichtige Rolle spielen. Diese Gelmatrices wurden in einer Doppeldiffusionsanordnung zur Mineralisation von CaCO3 verwendet und die Ergebnisse mit Gelatinegel als natürlichem Reaktionsmedium verglichen.
Entgegen der ursprünglichen Erwartungen konnten in Gelatine zunächst keine Hinweise auf molekulare Wechselwirkungen zwischen dem Proteinnetzwerk und den Mineralisationsprodukten gefunden werden. Die natürliche Matrix wird während des Kristallwachstums passiv in die Mineralisationsprodukte eingebaut und ist nicht unmittelbar an der Morphogenese beteiligt. Erst die Zugabe von poly-L-Asparaginsäure als Modellsubstanz für nicht-kollagene Proteine führt zu einer charakteristischen Veränderung der Aggregate und einer Stabilisierung des thermodynamisch metastabilen Vaterits.
Deutliche Analogien zu natürlichen Biomineralisationsprodukten wurden erstaunlicherweise bei der Materialabscheidung in unfunktionalisierten poly-Acrylamid Hydrogelen gefunden. Dabei organisieren sich zahleiche rhomboedrische Calcitbausteine zu geordneten pseudo-oktaedrischen Aggregaten, die einkristalline Eigenschaften aufweisen. Die besonderen Merkmale dieser Kristalle legen einen spezifischen Wachstumsmechanismus nahe. Gemäß dem postulierten Kristallisationsmodell kommt es zu Aggregation und Selbstorganistaion vorgeformter Wachstumseinheiten. In das Netzwerk eingebrachte ionische -SO3H Gruppen modifizieren die Aggregatmorphologie, führen aber nicht zu einer grundlegenden Veränderung der Nukleation und des Wachstumsmechanismus. Die prinzipielle Analogie dieser in einer organischen Matrix hochgeordneten Kristallbausteine mit vielen Biomineralisationsprodukten (z.B. orientierte Aragonitplättchen in Perlmutt) richtet den Blick auf die Frage, inwieweit alleine die physikalische Struktur der extrazellulären Matrix eine wichtige Rolle bei der Morphogenese von Biomineralisationsprodukten spielt.
Bei ersten mit –COOH-Gruppen funktionalisierten Hydrogelen zeigt sich eine deutlich erhöhte Keimdichte und eine intermediäre Stabilisierung von Vaterit Kristallen, die sich wieder auflösen und so zum schnellen sphärolitischen Wachstum von Calcit Kristallen beitragen. Dieser spezifische Einfluß der Carboxylatgruppen auf die Keimbildung relativiert das oft für Biomineralisationsvorgänge postulierte ionotrope Nukleationsmodell und unterstreicht die Notwendigkeit einer stereochemischen Verwandschaft zwischen den organischen Funktionalitäten und der mineralisierenden Kristallphase.

In der beantragten Fortsetzung des Projektes soll der Einfluß nicht-kollagener Modellsubstanzen und ggf. von anderen Gruppen zur Verfügung gestellter Proteinfraktionen auf die Mineralisation in Kollagen untersucht werden. Darüber hinaus ist der Einfluß der Topographie von -COOH-Gruppen in neu zu synthetisierenden Hydrogelen auf Nukleation, Stabilisierung von thermodynamisch metastabilen CaCO3 -Modifikationen und nachfolgende Morphogenese der Aggregate zu untersuchen. Desweiteren soll der Kompositcharakter der biomimetischen Mineralisationsprodukte näher untersucht werden.

Schlagworte:
    Biomineralisation

Laufzeit: von 04.2003 bis 03.2005

Förderinstitution:
DFG

Vorläuferprojekt:
Mineralisation in funktionalisierten Matrices