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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2019-02-01 - 2022-01-31

Bio-resorbierbare Implantatmaterialien sind in den letzten Jahren in den Fokus der Forschung gerückt. Besonders vielversprechend für Knochenimplantate sind Magnesiumlegierungen, deren Biokompatibilität und grundsätzliche Eignung als Implantatmaterialien bereits demonstriert wurde. Da Knochen ein komplexes, höchst anpassungsfähiges Material ist und bekanntermaßen auf mechanische Stimuli und chemische Einflüsse reagiert, kann erwartet werden, dass das Einsetzen eines Implantats und dessen Abbau die Struktur des Knochens verändert, was auch durch unsere bisherigen Ergebnisse gestützt wird. Dennoch fehlt nach wie vor eine detaillierte Untersuchung der strukturellen Änderungen von Knochen auf mehreren Längenskalen während des Implantatabbaus. Dies ist von großem wissenschaftlichem Interesse, da es ein Modellsystem für die Antwort des Knochens auf eine sich ständig ändernde Grenzfläche, an der die Heilung stattfindet, und sich ändernde Lastsituation darstellt. Dies ist ebenfalls von großer Wichtigkeit für die zukünftige klinische Anwendung bioresorbierbarer Implantate und die Optimierung der medizinischen Behandlung. Das Ziel dieses Projekts ist daher die Erforschung der Strukturänderung von Knochen auf mehreren Längenskalen durch ein sich auflösendes Magnesium-Implantat, die Korrelation der Strukturänderungen mit Änderungen der Lastsituation und die Erforschung der Konsequenzen für die mechanische Performance von Knochen.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2018-12-01 - 2021-11-30

Die Neuheit, die in diesem Projekt untersucht wird, stammt aus einem neuartigen Materialkonzept, das die Delignifizierung und Verdichtung von Holz zu einem "grünen" Hochleistungsprodukt vereint. Das Delignifizierungsverfahren wurde analog zu herkömmlichen Zellstoffherstellungsverfahren optimiert, um ganze Holzblöcke zu delignifizieren und ihre strukturelle Integrität zu erhalten. Dadurch bleibt die äußerst günstige strukturelle Ausrichtung von Holz erhalten und die Holzfasern werden nicht wie bei der Zellstoffherstellung abgegeben. In einem zweiten Schritt werden diese Zelluloseblöcke in einem neu entwickelten Verfahren stark verdichtet, wobei Kompression und laterale Scherung kombiniert werden, um ein sehr kompaktes Zellulosematerial mit verschlungenen Fasern und streng paralleler Faserorientierung zu erhalten. Das erhaltene Material besitzt auch ohne Bindematrix hervorragende mechanische Eigenschaften. Für die beste Konfiguration wurden ein durchschnittlicher Elastizitätsmodul von 35 GPa und eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 270 MPa erhalten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Zellulosematerial für eine fortgeschrittene Materialentwicklung leichter modifiziert und funktionalisiert werden kann, da der Deligifizierungsschritt die Zugänglichkeit der Zellwand im Vergleich zu Massivholz erhöht.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2018-07-01 - 2021-06-30

It has been proven difficult to obtain experimental structures of protein-protein complexes. Computational methods like protein-protein docking attempt to overcome the mismatch between the number of available complex structures and single protein structures by the prediction of binding interfaces. However, the binding free-energy estimates given by the scoring algorithms used in such approaches show only poor correlation with experimentally determined binding strengths. Molecular dynamics simulations are a premier computational technique which allows for the atomistic modeling of the interactions, structures and motions of (bio-)molecular systems. Very recently, we calculated the binding free energy of two small proteins, namely Ubiquitin and the very flexible Ubiquitin-binding domain of the human DNA Polymerase ι (UBM2), using an MD simulation-based approach. Our results were in very good agreement with experimentally determined values (the mean unsigned error to experimentally determined values was 2.5 kJ/mol or lower) and the statistical errors of the calculations were also mostly in the order of thermal noise. In the proposed project, we aim to develop more efficient approaches that can be readily used on a wide variety of protein-protein complexes. In particular, the project addresses three aims. The first aim is the generation of reference data on the calculation of biomolecular binding affinity using the previously described approach for validation and subsequent optimization. The second aim is the optimization of the simulation method to efficiently score a high number of possible protein docking poses for similarity to the canonical complex structure. Preliminary analyses suggest that we can reduce the overall simulation time by two to three orders of magnitude, which with current computational resources makes a more high-throughput approach feasible, while simultaneously retaining sufficient accuracy to provide binding affinity estimates that can be compared to experimental values. In a more independent part of the project we will focus on a specific aspect of the binding affinity calculation, namely the contribution of conformational preferences of biomolecules. To avoid adverse effects upon administering e.g. mouse-derived antibodies for therapeutic purposes, the framework regions of a mouse antibody are being mutated to become (more) human-like. Such mutations do not affect the antibody-antigen interface directly, but are often seen to negatively influence the binding affinity due to altered conformational preferences of the antibody. As a third aim, we will develop a method to predict the binding free-energy change upon antibody framework mutation based on the conformational preferences of the antibody molecules.

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