Prinzipien der Biomineralisation: Morphosynthetische Verfahren zur Kristallisation von Calciumcarbonat unter spezieller Betrachtung von amorphen Festkörperphasen

Abstract

Die Fähigkeit von Organismen, anorganische Mineralien zu synthetisieren und aus diesen einzigartige Strukturen aufzubauen, ist bis heute durch Labormethoden nicht erreichbar. Das Endoskelett des Menschen oder auch die sehr viel diffizileren Exoskelette von Kalkalgen (Coccolithophoridae) und Radiolarien sind Beispiele, die verdeutlichen, mit welcher Präzision teils sehr einfache Organismen in der Lage sind, diesen Materialien Struktur und Form zu geben. Bisherige Ansätze haben Mechanismen aufgeklärt und Modelle hervorgebracht, die einige der in der Biomineralisation auftretenden Phänomene zu erklären versuchen. Doch bei genauerer Betrachtung der biologischen Materialien offenbaren sich stets unvermutete Zusammenhänge. Die exakte Dokumentation und Beschreibung von Struktur und Form bis auf die Nanometerskala ist eine Grundvoraussetzung für das Verständnis der Biomineralisation. Gelänge es die Mechanismen aufzuklären, die in biologischen Systemen wirken, so könnte man die daraus resultierenden Erkenntnisse auf artifizielle Systeme übertragen. Im Zuge der Entwicklung neuartiger Materialien hat es sich bewährt, Strukturprinzipien von der Natur zu übernehmen (Bionik). So könnte ein tieferes Verständnis der Biomineralisation des Calciumphosphats dazu führen, dass echte Knochen- und Zahnersatzmaterialien entwickelt werden, die ihrem natürlichen Vorbild bis in das kleinste Detail entsprechen. Kontrolliertes Wachstum von Calciumcarbonat (crystal engineering) bringt möglicherweise optische Schaltelemente hervor, die in modernen Lichtleitern Verwendung finden könnten. Das Calciumcarbonatsystem eignet sich hervorragend, um grundlegende Mechanismen der Biomineralisation aufzudecken, denn im Gegensatz zu anderen Mineralisationssystemen (Calciumphosphat) hat man es in diesem Fall nur mit drei wasserfreien Polymorphen (Calcit, Aragonit, Vaterit) zu tun.