Fluorapatit-Gelatine-Komposite: Biomimetische Morphogenese und Realstruktur

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Fluorapatit-Gelatine-Komposite:Biomimetische Morphogenese undRealstruktur

Paul Simona, Caren Göbela, Wilder Carrillo-Cabreraa, Petr Formanekb, Dorin Geigerc, ReinerRamlaua, Harald Tlatlika, Jana Budera,Rüdiger Kniepa

a Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe,Nöthnitzer Straße 40, D-01187 Dresdenb Innovation for High Performance Microelectronics GmbH,Im Technologiepark 25, D-15236 Frankfurt/Oderc Triebenberg-Laboratorium, Institut für Strukturphysik,Technische Universität Dresden, D-01062 Dresden

Keywords: Biomineralisation; Gelatine; Electron microscopy; Apa-tite; Composite

Unsere laufenden Untersuchungen zur Biomineralisation beschäf-tigen sich mit Selbstorganisation, Morphogenese und Musterbil-dung von Fluorapatit-Gelatine-Kompositen [1�5]. Die vorliegendeArbeit ist auf elektronenmikroskopische Untersuchungen und ihreInterpretation fokussiert.Die Präparate wurden durch Gegenstromdiffusion in Gelatine-Ma-trices unter Variation der Fluoridkonzentration in einer der Aus-gangslösungen hergestellt. Durch Untersuchung der gebildetenFeststoff-Aggregate in den voneinander getrennten LiesegangschenBändern wurden Erkenntnisse zur Phasenbildung (Octacalcium-phosphat, Apatit) und Morphogenese erhalten. Die innere Archi-tektur der kugelförmigen OCP-Aggregate wird durch Kugel-Schale-Anordnungen und radiale Strukturen bestimmt. Die Apatit-Kom-posite entwickeln sich zunächst nach dem bereits beschriebenenfraktalen Mechanismus ausgehend von einem hexagonal-prismati-schen Keim. Mit zunehmendem Fluoridgehalt in der Apatitkompo-nente des Komposits werden die Einzelindividuen der fraktalen Ag-gregate stabiler (kompakter). Die Ausbildung eines torusförmigenHohlraumes um den zentralen Keim in den fraktalen Aggregatenentspricht dem Wachstumsmechanismus und ist grundsätzlich be-kannt. Erstmalig haben wir nun auch den hexagonalen Querschnittdes torusförmigen Hohlraumes beobachtet (Abb. 1), wie es nachdem fraktalen Bildungsprinzip zu erwarten ist. In das fraktaleWachstumsmodell (Abb. 2) wird dann die experimentelle Beobach-tung integriert, dass das Aufwachsen der ersten Generation aufdem Keim nicht ausschließlich unmittelbar an den Basisflächen,sondern auch von den Basisflächen entfernt auf den Prismenflä-

Abb. 1 REM Bild des torusförmigen Hohlraumes im zentralen Teileines sphärischen Fluorapatit-Gelatine-Komposits.

1760 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 69451 Weinheim zaac.wiley-vch.de Z. Anorg. Allg. Chem. 2004, 630, 1760

chen stattfindet. Die Simulation (Abb. 2) zeigt dann auch sehrschön die Naht zwischen den Halbkugeln und die brauenartig ge-schwungene Struktur um die Kavität.

Abb. 2 2D-Simulation eines geschlossenen (fraktalen) Fluorapatit-Gelatine-Aggregats.

Zur Untersuchung der Realstruktur des Fluorapatit-Gelatine-Komposits haben wir uns zunächst auf Dünnschnitte (Mikrotombzw. FIB-Technik) des hexagonal-prismatischen Keims (senkrechtzur hexagonalen Achse) beschränkt. Verglichen mit rein anorgani-schem Apatit wird das Apatit-Gelatine-Komposit durch eine Über-struktur mit einer Periodizität von ~10 nm charakterisiert (Abb. 3).Die Überstruktur wird offensichtlich durch mineralisierte, tripelhe-likale Gelatinemoleküle (Orientierung der Längsachse der Mole-küle �� [001] der hexagonal prismatischen Einheiten) hervorgerufen.Die calcifizierten Tripelhelices wirken dabei als Nukleationszentrenfür ausgeprägt Mosaik-kontrollierte Apatit-Bereiche auf der Na-noskala.

Abb. 3 TEM Bild eines Komposit-Keims (Schnitt senkrecht zurhexagonalen Achse). Die Pfeile kennzeichnen die bevorzugte Orien-tierung der Überstruktur. Oben rechts ist das zugehörige fourier-transformierte Bild gezeigt. Die diffusen Streifen der Überstrukturentsprechen einer Periodizität von ~10 nm.

[1] R. Kniep and S. Busch, Angew. Chem. 1996, 108, 2788; Angew.Chem. Int. Ed. Engl. 1996, 35, 2624.

[2] S. Busch, H. Dolhaine, A. DuChesne, S. Heinz, O. Hochrein,F. Lacri, O. Podebrad, U. Vietze, T. Weiland, R. Kniep, Eur. J.Inorg. Chem. 1999, 10, 1643.

[3] S. Busch, U. Schwarz and R. Kniep, Chem. Mater. 2001, 13,3260.

[4] S. Busch, U. Schwarz and R. Kniep, Adv. Funct. Mater. 2003,13, 189.

[5] R. Kniep, in Facetten einer Wissenschaft, Eds.: A. Müller, H.-J. Quadbeck-Seeger, E. Diemann, Wiley-VCH, Weinheim, 2004,p. 221�261.

DOI: 10.1002/zaac.200470133