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Einleitung
1 Einleitung
1.1 Motivation
Zahlreiche physiologische Prozesse werden in vitro und in vivo einerseits durch das
Wechselspiel biochemischer Parameter in der Mikroumgebung von Zellen gesteuert,
andererseits durch die Oberflächeneigenschaften des eingesetzten Zellkultursystems bzw.
Implantatmaterials. Sind Erstere von außen nur unzureichend kontrollierbar, so stehen
mittlerweile eine Vielzahl biophysikalisch-chemischer Strukturierungs- und
Modifikationsmethoden zur Verfügung, Oberflächen kontrolliert zu modifizieren. Neben der
Beeinflussung organotypischer Funktionen ausdifferenzierter Zellen wie Metabolismus,
neuronaler Aktivität oder anderer Zellfunktionen wie Sekretion und Bewegung kommt
insbesondere der Steuerung der Proliferation und der gerichteten Differenzierung adulter
Stammzellen eine stark steigende Bedeutung in der Forschung und Therapie zu. Lösliche
Faktoren wie Hormone oder Wachstumsfaktoren, die zum Teil von Zellen aufgenommen
werden und direkt in die komplexen intrazellulären Signalwege eingreifen, finden bereits fast
durchgängig in Zellkulturexperimenten Anwendung. Im Kontrast dazu erfüllen gegenwärtig
jedoch selbst biofunktionalisierte Materialoberflächen oft nicht die hohen Ansprüche
komplexer, das heißt dreidimensionaler und organotypischer Gewebemodelle. Dies liegt
sowohl an noch fehlenden Kenntnissen der Zusammenhänge im komplexen System
Oberfläche-Extrazellulärmatrix-Zelle, als auch an unzureichender Praxistauglichkeit einiger
Ansätze. Beispielsweise fehlt bei der Verwendung von Proteinen tierischen Ursprungs häufig
eine genaue Kenntnis über deren Zusammensetzung. Problematisch kann auch die
mangelnde Prozess-Stabilität so genannter Biomaterialien bei der Substratherstellung sein.
Die Züchtung komplexer, dreidimensionaler und funktioneller Gewebe, die aus mehreren
verschiedenen Zellarten und einer biologischen oder artifiziellen Gerüst- oder Stützstruktur
zusammengesetzt sind, wird Tissue Engineering (Gewebetechnik) genannt. Hat ein Material
durch seine Oberfläche, Struktur und Chemie langfristig keinen negativen Einfluß auf Zellen
und Gewebe in seiner Umgebung, so wird es als biokompatibel bezeichnet. Die Gestaltung
künstlicher Gewebe erfordert daher detaillierte Kenntnisse über den Aufbau und die
Wechselwirkung von Zellen mit ihrer natürlichen Umgebung, der so genannten
Extrazellularmatrix (ECM). Der Begriff Extrazellulärmatrix umfasst die Gesamtheit aller
Makromoleküle, die sich außerhalb der Plasmamembran von Zellen in Geweben und
Organen befinden. In der ECM wird über Botenstoffe und Proteine das Verhalten von Zellen
geregelt; damit werden Prozesse wie die Wundheilung, Gefäßentstehung (Angiogenese)
oder Metastasenbildung beeinflusst. Die Erforschung neuer funktionaler Gerüststrukturen
dient der Entwicklung von Wundheilungsmaterialien und Transportsystemen für
Medikamente oder zur Unterstützung des körpereigenen Bindegewebes. Um das Verhalten
von Zellen in vivo zu verstehen, ist die Herstellung und Anwendung biokompatibler
dreidimensionaler Strukturen notwendig, die in vitro Untersuchungen in einer ECM-ähnlichen
Matrix ermöglichen. [1]
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