With respect to the principles of biomineralization, it is of interest to study the crystallization of calcium oxalates under various experimental conditions. Calcium oxalates play decisive roles as biominerals in plants and as pathological “urinary/kidney stones” in vertebrates. Calcium oxalate exists in three different hydration states; calcium oxalate monohydrate (COM, monoclinic, a = 6.290(1)Å, b = 14.583(1)Å, c = 10.116(1)Å, β = 109.46°, P21/c), calcium oxalate dihydrate (COD, tetragonal, a = b = 12.371(3)Å, c = 7.357(2)Å, α = β = γ = 90°, I4/m) and calcium oxalate trihydrate (COT, triclinic, a = 6.11(1)Å, b = 7.167(2)Å, c = 8.457(2)Å, α = 76.5(2)°, β = 70.35(2)°, γ = 70.62(2)°, P ). Monoclinic COM and tetragonal COD are the most common phyto-crystals and the main constituents of kidney and urinary stones. The occurrence of calcium oxalates in plants represents a useful biogenesis (protection against herbivores) unlike the devastating occurrence in renal tubules. Therefore, biomineralization can be physiological or pathological. A systematic investigation of the morphological evolution of calcium oxalates in the presence of organic components is essential for understanding the mechanism of “pathological biomineralization”. In order to understand the pathological biomineralization of uroliths, it is necessary grow calcium oxalates comparable in morphology under similar growth conditions. The formation of calcium oxalate stones within a gelatinous state of proteins, polysaccharides, lipids and other biomacromolecules under a flow of supersaturated urine supports the fact that an “organic” gel model can simulate the process of urinary stone formation under in vitro conditions. Furthermore, synthetic polymers with precisely known functions and solution behaviours are better choices to understand the interaction of acidic proteins with calcium oxalates. Therefore, as a first step to unravel the complex pathology of uro/nephro lithiasis, we started to examine the structure and morphology of calcium oxalates crystallized in the presence of organic additives such as the sodium salt of polyacrylic acid (PAA) as well as agar gel. The influence of initial calcium oxalate concentration, pH and concentration of the additives on the formation of hydration states of calcium oxalates have been investigated along with the stated general methods. Apart from the three hydrated forms, calcium oxalate exists also in the anhydrous form (COA). Although three modifications of COA (α, β and γ) are reported in the literatures, the crystal structures and phase transformations were controversially discussed. We have been able to reveal the crystal structure of the β-modification of the anhydrous calcium oxalate by a combination of atomistic simulations and Rietveld refinements on the basis of powder X-ray diffraction pattern. β-COA belongs to the monoclinic system with unit cell parameters, a = 6.1644(3)Å, b = 7.3623(2)Å, c = 9.5371(5)Å, β = 90.24(2)°, P2/m (No. 10). The dehydration of COM was mimicked in silico to receive an initial model of the crystal structure of anhydrous calcium oxalate. This general approach may also be accessible for other decomposition processes ending up with crystalline powders of unknown crystal structure. No evidence for transformations from or to the α- or γ- modifications was found during our investigations. The growth pattern of COD crystals precipitated from aqueous solutions in the presence of PAA is clearly dependent on the concentration of PAA. By increasing the concentration of PAA, the shape of COD has been found to change from tetragonal bi-pyramids with dominant (101) pyramidal faces to tetragonal prisms with dominant (100) prism faces and finally to dumbbells. At still higher PAA concentrations, the morphology is reverted back to rod-like tetragonal prisms. Apart from these experiments, the interaction of PAA with (100) and (101) crystal faces of COD was explored with the aid of atomistic simulations. The simulation confirmed that during the development of the aggregates, strong interactions of PAA with the (100) faces take over control of morphologies. Our investigations show that the inner architecture of all the morphological varieties of COD was found to be dominated by an inner “core” consisting of thin elongated crystallites together with incorporated PAA and an outer “shell” formed as a consequence of secondary nucleation processes. We propose that for all types of COD aggregates, relative proportion of calcium oxalate and PAA dictates the shape and formation of nanometer sized crystallites which then aggregate and align to form the core. Such cores enriched with PAA may act as the sites for secondary nucleation events of calcium oxalate crystallites which then cover the core like a shell. In vitro experimental models for the growth of calcium oxalates can give valuable information on the growth and aggregation of urinary stones. Therefore, the “double diffusion technique” in agar gel matrix has been used for the biomimetic growth of calcium oxalate (COM) stones. A great variety of morphological forms of COM are produced in agar gel matrices (2 wt.-% agar gel of pH 8.5) ranging from platy crystallites to dumbbells and spherulites. The COM dumbbells and spherulites are assumed to be formed by the aggregation of smaller crystallites as a consequence of increased supersaturation inside the gel. Moreover, an increase of the pH value of the agar gel has been found to suppress the growth of COM and favours the growth of COD. The morphology of COD crystals grown in 2 wt.-% agar gel of pH 11.5 includes tetragonal prisms and dumbbells. The system calcium oxalate/ PAA/ H2O is a suitable model system for the investigation of principles of biomineral growth (shape development) in general. Our results demonstrate that the double diffusion technique in agar gel is a convenient route to grow calcium oxalate aggregates showing close resemblance to biogenic calculi and to study their ontogeny.

Die Schwingungsspektroskopie, besonders die Raman-Spektroskopie, stellt ein wichtiges Werkzeug für Untersuchungen von Biomineralien dar. Raman-Spektroskopie wurde zur Untersuchung der organischen und anorganischen Bestandteile von Schwammskeletten eingesetzt. Die Raman-Spektroskopie trug auch zur Charakterisierung von biomimetischen Silikat-Präzipitaten bei. Durch ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie konnte erstmalig die Verteilung von organischem Material in den extrahierten Silikatzellwänden von Kieselalgen nachgewiesen werden. Die ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie wurde ebenfalls zur Untersuchung des SERS-Effekts an Zellwänden von Kieselalgen an die Silber-Nanopartikel gekoppelt waren eingesetzt.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Wachstum und Aufbau von Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositaggregaten. Diese Aggregate werden im sogenannten Doppeldiffusionsversuch biomimetisch erzeugt und ihre äußere Form bzw. Formentwicklung lässt sich anhand eines fraktalen Modells bis ins Detail nachvollziehen. Sie zeigen einen komplexen inneren Aufbau, in dem die Makromoleküle der organischen Komponente einerseits im Zentrum jeder Nanoeinheit und andererseits zu Strängen, den sogenannten Fibrillen, zusammengelagert am Aufbau der Kompositaggregate beteiligt sind. Im Fall des Kompositkeims ist die innere Architektur in hoher Detailstufe verstanden, auch wenn -- insbesondere bezüglich der späteren Wachstumsphasen -- eine Reihe ungeklärter Fragestellungen verbleibt. Ein zentrales Ergebnis der vorliegenden Arbeit bildet die Entdeckung eines weiteren Wachstumstypen, der im Vergleich zu den bekannten, fraktalen Kompositaggregaten grundsätzliche Unterschiede bezüglich des inneren und äußeren Aufbaus zeigt. Der Grund für die andersartige Formentwicklung liegt in der Versteifung der organischen Komponente durch eine vorangegangene Einlagerung von Calciumionen, wie sowohl experimentell als auch mit atomistischen Computersimulationen gezeigt werden konnte. Aufgrund der hohen Komplexität des Systems ist es bislang allerdings nicht möglich, lokale Ionen-Konzentrationen und pH-Werte vor bzw. während Nukleation und Wachstum der Kompositaggregate im Doppeldiffusionsversuch zu bestimmen. Deshalb wurde ein Ersatzversuch -- der sehr ähnlich strukturierte Aggregate erzeugt, sich aber mit rechnerischen Methoden analysieren lässt -- entworfen und untersucht. Anhand dieser Ergebnisse konnte erstmals die "Geschichte" von Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositaggregaten detailliert nachvollzogen werden. Da über die Rolle der Gelatine beim Wachstum der Kompositaggregate nur wenig bekannt ist, wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, in denen Gelatinen mit verschiedenen Molekülmassenverteilungen eingesetzt wurden. Es stellte sich heraus, dass für selbstorganisiertes und insbesondere fraktales Wachstum der Kompositaggregate lange, möglichst wenig gestörte Makromoleküle von zentraler Wichtigkeit sind. Um die Funktion der organischen Komponente für das Kompositwachstum näher zu untersuchen, wurden Oberflächen von Kompositkeimen mit rasterkraftmikroskopischen Methoden studiert. Durch Säuberung der Oberflächen konnten Austrittsstellen der organischen Komponente durch die Oberfläche der Kompositkeime identifiziert werden. Damit konnte gezeigt werden, dass die organische Komponente aus dem Inneren des Festkörpers teilweise durch die Oberfläche dringt und somit während des Wachstums weit in das Gel hineinreichen sollte. Für die mesoskopische Strukturbildung der Kompositaggregate spielen intrinsische elektrische Felder eine essenzielle Rolle. Deshalb wurde bislang eine Wirkung externer elektrischer Felder auf das Wachstum der Kompositaggregate vermutet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde herausgearbeitet, dass es zwar zu keiner direkten Beeinflussung kommen kann, jedoch in den elektrodennahen Bereichen des Gels eine Ordnung der organischen Moleküle durch externe elektrische Felder zu erwarten ist. Dies könnte eine Wirkung auf wachsende Kompositaggregate zeigen. Da diese Effekte auch aufgrund der elektrischen Felder um die dipolaren Kompositaggregate zu erwarten sind, könnte eine ähnliche Strukturierung der Gelatine in der Nähe der wachsenden Kompositaggregate stattfinden. Insgesamt wurden in dieser Arbeit eine Reihe grundlegender Beiträge zur Erforschung der biomimetisch erzeugten Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositaggregate geleistet. Es konnten neue Erkenntnisse zur inneren und äußeren Architektur der Kompositaggregate, zu Mechanismen der Morphogenese und deren wichtigsten Einflussgrößen sowie zum Verständnis der chemisch-physikalischen Vorgänge auf atomarer Größenskala gewonnen werden. Als besonders fruchtbar erwies sich die Verbindung von Experimenten mit theoretischen Untersuchungen, so dass dieser Weg auch in Zukunft grundlegende Erkenntnisse bei der Erforschung der Biomineralisation verspricht und weiterhin verfolgt werden sollte.

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La production de perle de culture par l’huître perlière Pinctada margaritifera représente la seconde ressource économique après le tourisme en Polynésie Française. L’une des voies d’amélioration privilégiée de la qualité de production passe par la voie de la sélection génétique. Dans ce contexte, le déterminisme génétique des caractères d’intérêt perlicole et leurs variations à différentes échelles phénotypiques a été étudié. Les rôles respectifs de l’huître donneuse et de la receveuse, au travers de greffes expérimentales, ont révélées une corrélation positive entre les paramètres de croissance des coquilles de receveuses et la taille des perles, ainsi qu’un effet donneuse sur la qualité de la perle. Les analyses d'expressions de huit biomarqueurs de biominéralisation, codant des protéines des couches aragonitiques ou prismatiques, ont révélé une corrélation entre l’expression de ces gènes au niveau du sac perlier avec à la fois les paramètres de qualité des perles et de croissance des receveuses. L’âge de l’huître donneuse de greffon semble jouer un rôle déterminant aussi bien au niveau des phénotypes de la taille que pour le grade et les défauts de surface de la perle. Enfin, les valeurs d'héritabilité des phénotypes ont été estimées pour la première fois chez l'espèce, au travers de modèle animal utilisant des familles produites en écloserie. Globalement, les résultats montrent une transmission génétique linéaire et schématiquement on peut dire que les receveuses contrôlent principalement la croissance et la taille des perles, alors que les donneuses influencent leur qualité. / Cultured pearl production in the pearl oyster Pinctada margaritifera represents the second largest source of revenue after tourism, and it is the top export industry in French Polynesia. One of pearl farming industry’s greatest challenges is to “produce fewer but better pearls” through genetic improvement. To address this challenge, the genetic determinism of pearl quality traits and how they vary at different phenotypic scales was studied. The respective roles of donors and recipients was explored through uniform experimental grafts and revealed a positive correlation between recipient shell biometric parameters and pearl size, and a donor effect on pearl quality traits. Gene expression analyses of 8 biomineralisation biomarkers, encoding aragonitic and prismatic proteins, highlights a correlation between pearl sac gene expression with pearl quality traits and recipient shell biometric parameters. The age of the donor oyster also played a determining role with respect to the size phenotype and for grade and surface defects of the pearl. Finally, the heritability values of the phenotype were estimated for the first time for this species using an animal model on a family produced in a hatchery setting. Results show a linear genetic transmission and overall, suggest that the recipient oyster primarily controls the size of the pearls while the donor oyster influences the quality.

Kieselalgen (Diatomee) sind eukaryotische einzellige Algen die hochspezifische Proteine (sogenannte Silaffine) erzeugen, um ‘nanopatterned’ Silica-Zellwände herzustellen. Diese Proteine zeigen geringe oder gar keine Homologie innerhalb der Diatomeen Gattung und sind ausgiebig (extensiv) posttranslatorisch modifiziert. Zum Unterschied zu konventioneller Modifikation (z.B. Phosphorylierung und Glykosylierung) weisen Lysinreste von Silaffinen einige Polyaminketten mit sehr heterogenen molekularen Strukturen auf. Diese Modifikationen sind spezifisch für Kieselalgen und spielen somit hypothetisch eine Rolle in der Biosilica-Synthese. Allerdings sind Lysin Polyamin Modifikationen, modifizierte Proteine und modifizierte Stellen kaum charakterisiert. Um diese Frage zu beantworten entwickelten wir eine Methode Polyamine zu quantifizieren und die Position von Polyamin-Modifikationen in engverwandte Proteine zu identifizieren (in morphologisch unterschiedliche Diatomeen Thalassiosira pseudonana, T. oceanica und Cyclotella cryptica). Wir zeigten, dass das Gesamtmuster von Polyaminender phylogenetischen Nähe dieser Kieselalgenarten folgt und dass diese Polyaminmodifikationen an Konsensusstellen sogar in Proteinen auftraten, die keine Sequenzähnlichkeit zeigten.:CONTENTS Summary Zusammenfassung List of figures List of tables Abbreviations 1 Introduction 1.1 Diatoms 1.2 Diatom biosilica 1.2.1 Biosilicification in nature 1.2.2 Diatom biosilica structure and cell cycle 1.2.3 The cell biology of biosilica morphogenesis 1.3 The role of polyamine PTMs in diatom biosilicification 1.3.1 Identifying biomolecules associated with diatom biosilica 1.3.2 PTM complexity of biosilica-associated proteins 1.3.3 Lysine ε-polyamine PTMs in biosilica-associated proteins 1.4 Mass spectrometry in PTM discovery 1.4.1 Modification-specific proteomics 1.4.2 Analysis of polyamine-modified lysines by MS 1.4.3 Fractionation of proteins and peptides prior to MS 1.4.4 MS/MS analysis in modification-specific proteomics 1.4.5 Bioinformatics tools for modification-specific proteomics 1.5 Rationale of the thesis 2 Aim of the thesis 3 Results and discussion 3.1 A method for analysis of ε-polyamine PTMs 3.1.1 Establishing a method to analyse ε-polyamines 3.1.2 Method applicability for lysine PTM profiling 3.1.3 Profiling of lysine PTMs in silaffin-3 3.2 Profiling lysine PTMs in biosilica extracts 3.2.1 Lysine PTM profile and characteristic fragments 3.2.2 Elucidation of phosphopolyamine structures 3.2.3 LysinePTMprofilesofAFSMextracts 3.2.4 Comparison of AFIM and AFSM profiles in T. pseudonana 3.2.5 Phylogenetic relationship across three diatom species 3.3 PTM localization and discovery of consensus motifs 3.3.1 Multiple protease strategy for mapping lysine PTMs 3.3.2 Selection of deprotection technique 3.3.3 Mapping lysine PTMs on tpSil3 using iterative search strategy 3.3.4 Deconvolution of raw MS/MS spectra 3.3.5 PTM mapping by polyamine-specific fragments 3.3.6 Identification of consensus motifs harboring lysine PTMs 4 Conclusions and Outlook 5.1 Synthesis of polyamine standards 5.2 Isolation of biosilica-associated proteins 5.3 Expression of tpSil3 from synthetic gene 5.4 HCl hydrolysis 5.5 AQC-derivatization of amino acids and polyamines 5.6 LC-MS/MS analysis of QAC-derivatives 5.7 Amino acid measurement using UV-detection 5.8 Direct infusion MS/MS analysis 5.9 Acetylation of phosphopolyamines 5.10 31P-NMR measurements 5.11 Deglycosylation with TFMS 5.12 Treatment with HF·pyridine soluble complex 5.13 Anhydrous HF-treatment 5.14 Protein analysis by GeLC-MS/MS 5.15 Proteomics data processing A Appendix B Bibliography Acknowledgments Publications Declaration / Erklärung / Diatoms are eukaryotic unicellular algae that employ highly specialized proteins called silaffins for making nanopatterned silica-based cell walls. These proteins share little or no homology across diatom species and are extensively post-translationally modified. Apart from conventional modifications (e. g., phosphorylation and glycosylation) lysine residues of silaffins bear polyamine chains with highly heterogeneous molecular structure. The latter appear to be specific for silicifying organisms and therefore hypothesized to play a key role in biosilica synthesis. However, polyamine modifications of lysines, modified proteins, and modification sites remain poorly characterized. To address these questions, we developed a method to quantify polyamines and identify sites of polyamine modifications in proteins from phylogenetically closely related, yet morphologically distinct diatoms Thalassiosira pseudonana, T. oceanica, and Cyclotella cryptica. We demonstrated that the overall pattern of polyamines followed the phylogenetic proximity across these diatom species and showed that polyamine modifications occurred at consensus sites even in proteins showing no sequence similarity.:CONTENTS Summary Zusammenfassung List of figures List of tables Abbreviations 1 Introduction 1.1 Diatoms 1.2 Diatom biosilica 1.2.1 Biosilicification in nature 1.2.2 Diatom biosilica structure and cell cycle 1.2.3 The cell biology of biosilica morphogenesis 1.3 The role of polyamine PTMs in diatom biosilicification 1.3.1 Identifying biomolecules associated with diatom biosilica 1.3.2 PTM complexity of biosilica-associated proteins 1.3.3 Lysine ε-polyamine PTMs in biosilica-associated proteins 1.4 Mass spectrometry in PTM discovery 1.4.1 Modification-specific proteomics 1.4.2 Analysis of polyamine-modified lysines by MS 1.4.3 Fractionation of proteins and peptides prior to MS 1.4.4 MS/MS analysis in modification-specific proteomics 1.4.5 Bioinformatics tools for modification-specific proteomics 1.5 Rationale of the thesis 2 Aim of the thesis 3 Results and discussion 3.1 A method for analysis of ε-polyamine PTMs 3.1.1 Establishing a method to analyse ε-polyamines 3.1.2 Method applicability for lysine PTM profiling 3.1.3 Profiling of lysine PTMs in silaffin-3 3.2 Profiling lysine PTMs in biosilica extracts 3.2.1 Lysine PTM profile and characteristic fragments 3.2.2 Elucidation of phosphopolyamine structures 3.2.3 LysinePTMprofilesofAFSMextracts 3.2.4 Comparison of AFIM and AFSM profiles in T. pseudonana 3.2.5 Phylogenetic relationship across three diatom species 3.3 PTM localization and discovery of consensus motifs 3.3.1 Multiple protease strategy for mapping lysine PTMs 3.3.2 Selection of deprotection technique 3.3.3 Mapping lysine PTMs on tpSil3 using iterative search strategy 3.3.4 Deconvolution of raw MS/MS spectra 3.3.5 PTM mapping by polyamine-specific fragments 3.3.6 Identification of consensus motifs harboring lysine PTMs 4 Conclusions and Outlook 5.1 Synthesis of polyamine standards 5.2 Isolation of biosilica-associated proteins 5.3 Expression of tpSil3 from synthetic gene 5.4 HCl hydrolysis 5.5 AQC-derivatization of amino acids and polyamines 5.6 LC-MS/MS analysis of QAC-derivatives 5.7 Amino acid measurement using UV-detection 5.8 Direct infusion MS/MS analysis 5.9 Acetylation of phosphopolyamines 5.10 31P-NMR measurements 5.11 Deglycosylation with TFMS 5.12 Treatment with HF·pyridine soluble complex 5.13 Anhydrous HF-treatment 5.14 Protein analysis by GeLC-MS/MS 5.15 Proteomics data processing A Appendix B Bibliography Acknowledgments Publications Declaration / Erklärung

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Wachstum und Aufbau von Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositaggregaten. Diese Aggregate werden im sogenannten Doppeldiffusionsversuch biomimetisch erzeugt und ihre äußere Form bzw. Formentwicklung lässt sich anhand eines fraktalen Modells bis ins Detail nachvollziehen. Sie zeigen einen komplexen inneren Aufbau, in dem die Makromoleküle der organischen Komponente einerseits im Zentrum jeder Nanoeinheit und andererseits zu Strängen, den sogenannten Fibrillen, zusammengelagert am Aufbau der Kompositaggregate beteiligt sind. Im Fall des Kompositkeims ist die innere Architektur in hoher Detailstufe verstanden, auch wenn -- insbesondere bezüglich der späteren Wachstumsphasen -- eine Reihe ungeklärter Fragestellungen verbleibt. Ein zentrales Ergebnis der vorliegenden Arbeit bildet die Entdeckung eines weiteren Wachstumstypen, der im Vergleich zu den bekannten, fraktalen Kompositaggregaten grundsätzliche Unterschiede bezüglich des inneren und äußeren Aufbaus zeigt. Der Grund für die andersartige Formentwicklung liegt in der Versteifung der organischen Komponente durch eine vorangegangene Einlagerung von Calciumionen, wie sowohl experimentell als auch mit atomistischen Computersimulationen gezeigt werden konnte. Aufgrund der hohen Komplexität des Systems ist es bislang allerdings nicht möglich, lokale Ionen-Konzentrationen und pH-Werte vor bzw. während Nukleation und Wachstum der Kompositaggregate im Doppeldiffusionsversuch zu bestimmen. Deshalb wurde ein Ersatzversuch -- der sehr ähnlich strukturierte Aggregate erzeugt, sich aber mit rechnerischen Methoden analysieren lässt -- entworfen und untersucht. Anhand dieser Ergebnisse konnte erstmals die "Geschichte" von Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositaggregaten detailliert nachvollzogen werden. Da über die Rolle der Gelatine beim Wachstum der Kompositaggregate nur wenig bekannt ist, wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, in denen Gelatinen mit verschiedenen Molekülmassenverteilungen eingesetzt wurden. Es stellte sich heraus, dass für selbstorganisiertes und insbesondere fraktales Wachstum der Kompositaggregate lange, möglichst wenig gestörte Makromoleküle von zentraler Wichtigkeit sind. Um die Funktion der organischen Komponente für das Kompositwachstum näher zu untersuchen, wurden Oberflächen von Kompositkeimen mit rasterkraftmikroskopischen Methoden studiert. Durch Säuberung der Oberflächen konnten Austrittsstellen der organischen Komponente durch die Oberfläche der Kompositkeime identifiziert werden. Damit konnte gezeigt werden, dass die organische Komponente aus dem Inneren des Festkörpers teilweise durch die Oberfläche dringt und somit während des Wachstums weit in das Gel hineinreichen sollte. Für die mesoskopische Strukturbildung der Kompositaggregate spielen intrinsische elektrische Felder eine essenzielle Rolle. Deshalb wurde bislang eine Wirkung externer elektrischer Felder auf das Wachstum der Kompositaggregate vermutet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde herausgearbeitet, dass es zwar zu keiner direkten Beeinflussung kommen kann, jedoch in den elektrodennahen Bereichen des Gels eine Ordnung der organischen Moleküle durch externe elektrische Felder zu erwarten ist. Dies könnte eine Wirkung auf wachsende Kompositaggregate zeigen. Da diese Effekte auch aufgrund der elektrischen Felder um die dipolaren Kompositaggregate zu erwarten sind, könnte eine ähnliche Strukturierung der Gelatine in der Nähe der wachsenden Kompositaggregate stattfinden. Insgesamt wurden in dieser Arbeit eine Reihe grundlegender Beiträge zur Erforschung der biomimetisch erzeugten Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositaggregate geleistet. Es konnten neue Erkenntnisse zur inneren und äußeren Architektur der Kompositaggregate, zu Mechanismen der Morphogenese und deren wichtigsten Einflussgrößen sowie zum Verständnis der chemisch-physikalischen Vorgänge auf atomarer Größenskala gewonnen werden. Als besonders fruchtbar erwies sich die Verbindung von Experimenten mit theoretischen Untersuchungen, so dass dieser Weg auch in Zukunft grundlegende Erkenntnisse bei der Erforschung der Biomineralisation verspricht und weiterhin verfolgt werden sollte.

Current strategies for designing biomaterials involve creating materials and interfaces that interact with biomolecules, cells and tissues.  This thesis aims to investigate several bioactive surfaces, such as nanocrystalline diamond (NCD), hydroxyapatite (HA) and single crystalline titanium dioxide, in terms of material synthesis, surface functionalization and characterization. Although cochlear implants (CIs) have been proven to be clinically successful, the efficiency of these implants still needs to be improved. A CI typically only has 12-20 electrodes while the ear has approximately 3400 inner hair cells. A type of micro-textured NCD surface that consists of micrometre-sized nail-head-shaped pillars was fabricated. Auditory neurons showed a strong affinity for the surface of the NCD pillars, and the technique could be used for neural guidance and to increase the number of stimulation points, leading to CIs with improved performance. Typical transparent ceramics are fabricated using pressure-assisted sintering techniques. However, the development of a simple energy-efficient production method remains a challenge. A simple approach to fabricating translucent nano-ceramics was developed by controlling the morphology of the starting ceramic particles. Translucent nano-ceramics, including HA and strontium substituted HA, could be produced via a simple filtration process followed by pressure-less sintering. Furthermore, the application of such materials as a window material was investigated. The results show that MC3T3 cells could be observed through the translucent HA ceramic for up to 7 days. The living fluorescent staining confirmed that the MC3T3 cells were visible throughout the culture period. Single crystalline rutile possesses in vitro bioactivity, and the crystalline direction affects HA formation. The HA growth on (001), (100) and (110) faces was investigated in a simulated body fluid in the presence of fibronectin (FN) via two different processes. The HA layers on each face were analysed using different characterization techniques, revealing that the interfacial energies could be altered by the pre-adsorbed FN, which influenced HA formation. In summary, micro textured NCD, and translucent HA and FN functionalized single crystalline rutile, and their interactions with cells and biomimetic HA were studied. The results showed that controlled surface properties are important for enhancing a material’s biological performance.

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Der hierarchisch strukturierte und hoch geordnete Aufbau von Calciumphosphat und Kollagen in Knochen und Zähnen wird von den Zellen mit Hilfe bestimmter Moleküle erreicht. Diese organischen Moleküle, zumeist Proteine, beeinflussen durch die räumliche Anordnung ihrer Ladung das Präzipitations- und Wachstumsverhalten der mineralischen Phase. Die in dieser Arbeit beschriebenen Computersimulationen zeigen, dass ein Calciumphosphatkomplex mit deprotoniertem Phosphat am stabilsten ist. Vermutlich nimmt die Bindungsenergie pro Oberfläche des Komplexes mit wachsender Größe bis zu einem Ca9(PO4)6 -Komplex (Posner Klaster) linear zu. Die Präzipitation von Calciumphosphat aus wässriger Lösung führt häufig zu amorphen Kugeln mit 50-500 nm Durchmesser, die sphärische Unterstrukturen von ca. 5 nm Durchmesser zeigen und bei großer Dichte zu einer amorphen Schicht verschmelzen. Geringe Unterschiede in der Präparation können aber schon zu stäbchenförmigen oder plättchenartigen Kristalliten führen. Phosphoserin ist eine der wichtigsten Aminosäuren bei der Anbindung von Proteinen an Calciumphosphat. Das Computermodell zeigt an der gesamten Oberfläche dieser Aminosäure ein deutliches elektrisches Potential, dies begünstigt die Wechselwirkung mit Ionen. FT-IR- und NMR-Untersuchungen zeigen, dass Phosphoserin bei Kopräzipitation mit Calciumphosphat höchstwahrscheinlich in die mineralische Phase eingebaut wird. Serin zeigt bei der Kopräzipitation ab 1 mM einen Einfluss auf die Morphologie von Calciumphosphat, während Phosphoserin schon bei 0,01 mM einen deutlichen Einfluss zeigt. Elektronenspray-Ionisations-Massenspektroskopie (ESI-MS) bestätigt die relativ zum Serin intensivere Wechselwirkung von Phosphoserin mit Calciumphosphat. Das wichtigste Protein zur Vermeidung ektopischer Mineralisierung ist Fetuin. Dieses Protein stabilisiert die transient auftretenden amorphen Calciumphosphatkugeln (ACP-Kugeln) und erlaubt so dem Körper deren Entsorgung. Fetuin verhindert das Verschmelzen von ACP-Kugeln, wenn diese in großer Dichte auftreten, wobei deren feine Unterstruktur erhalten bleibt. Trotz des starken inhibitorischen Verhaltens wird das Auflösen von Brushit durch die Anwesenheit von Fetuin praktisch nicht beschleunigt. Auch auf die Kinetik der Assemblierung von Kollagen zeigt Fetuin praktisch keinen Einfluss. Des Weiteren wurde das Nukleationsverhalten des häufigsten, nichtkollagenen Knochenproteins, dem Osteocalcin (OC), mittels ESI-MS beobachtet. Die Untersuchungen von Osteocalcin in Calciumphosphatlösung zeigten Komplexe mit bis zu 8 Ca2+, der größte identifizierbare Komplex bestand aus [OC Ca2 (PO4 )2 Na4 ]+. Um die Mineralisierung von Kollagen genauer zu untersuchen, wurden assemblierte Kollagenfibrillen in der Flüssigzelle eines Atomkraftmikroskops (AFM) mit Calciumphosphat nachmineralisiert. Hierbei wurde eine gleichmäßige Anlagerung der offenbar amorphen mineralischen Phase beobachtet. Die Inkubation der Fibrillen mit Phospholipidvesikeln führte zu einem Aufweichen der Fibrillen. Des Weiteren wurden Phospholipidvesikel hergestellt, um den Calciumphosphatniederschlag in einem räumlich stark begrenzten Abschnitt zu untersuchen. Die Vesikel wurden mit REM und AFM abgebildet und so verschiedene Präparationsmethoden verglichen. Es konnten plättchenförmige Kristallite an der Vesikelmembran gezüchtet werden, während bei Anwesenheit von Phosphoserin globuläre Objekte auftraten. Eine Arbeitshypothese wurde entwickelt, die das unterschiedliche Wachstumsverhalten von Calciumphosphat in wässriger Lösung mit einer positiv geladenen Hydrathülle um den Calciumphosphatkeim erklärt. Die Protonen stammen vom deprotonierten Phosphat des Mineralkeims und können sich auf Grund der adsorbierten Wassermoleküle nicht sofort in der Lösung verteilen. Diese Hülle aus H3O+ verhindert das beliebige Anlagern von Ionen an den Mineralkeim und lenkt so dessen Morphologie.