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Einleitung
Hydrogels werden zudem vom Quellverhalten beeinflusst, welches durch
hydrophile/hydrophobe Bereiche im Polymer bestimmt wird. Häufig verläuft der
Gelierungsprozess unter milden Bedingungen und sogar in situ, sodass Zellen,
Wachstumsfaktoren oder andere bioaktive Produkte direkt im Polymer eingeschlossen
werden können. Die Wechselwirkung von Zellen mit einem Gel kann Auswirkungen auf die
Zelladhäsion, -wanderung und -differenzierung haben. Lässt sich eine gelartige
Mikroumgebung durch kontrollierte Bioabbaubarkeit schließlich vom Zellverband wieder
lösen, so bieten sich Anwendungen auf dem Gebiet der Implantat-Medizin an. [16-18]
Derzeit werden sowohl natürliche Hydrogele aus Collagen [19], Fibrin [20] oder Alginsäure
[21] als auch synthetische Hydrogele aus Polyacrylsäurederivaten [22], Polyethylenglykol
(PEG) [23] oder Peptiden [24] als 3D in vitro Modell-Systeme angewendet. Die natürlichen
Polymere zeichnen sich durch unbestreitbare Biokompatibiltät und milde
Gelierungsbedingungen aus. Oftmals treten jedoch Probleme durch biogene
Verunreinigungen auf, die beim Gewinnungsprozess der Polymere nicht entfernt werden und
so später unkontrollierbare Effekte auf Zellen haben. Synthetische Polymere sind zwar
häufig einfacher zu kontrollieren, harsche Polymerisationsbedingungen oder mangelnde
Biokompatibilität behindern jedoch den Einsatz in der Zellkultur.
1.2.4 Zellattraktion in Hydrogelen
Hydrogele sind aufgrund ihrer Zusammensetzung stark hydrophil. Die Adsorption von
Proteinen der Extrazellulärmatrix, wie den Glykoproteinen Laminin, Fibronektin oder
Vitronektin, im Gel oder auf der Geloberfläche kann durch Entropie gesteuerte Prozesse
äußerst gering sein. Zu diesen Prozessen zählt unter anderem der hydrophobe Effekt.
Dieser beschreibt die Tatsache, dass unpolare Moleküle im polaren Medium aggregieren,
um eine möglichst kleine Kontaktoberfläche einzunehmen. In wässriger (= hydrophiler)
Umgebung kommt es zur Aggregation unpolarer Seitenketten im Inneren eines Proteins.
Dies ist entropisch betrachtet günstiger, da die Wassermoleküle ansonsten um die
hydrophoben Gruppen eine käfigartige Struktur bilden würden. Die Hydrophobizität einer
Seitenkette gibt Auskunft über ihre hydrophile bzw. hydrophobe Tendenz. [25] Generall lässt
sich sagen, dass mit steigender Hydrophilie einer Oberfläche die Proteinaffinität zu dieser
abnimmt. Eine allgemeingültige Regel bzw. exakte Korrelation zwischen Hydrophobiemax
und Ausmaß der Proteinadsorption ist jedoch nicht möglich.
Viele Zellen benötigen allerdings die ECM-Moleküle als Adhäsionspunkte zur Besiedelung
der Gelstrukturen, um mittels ihrer Integrin-Rezeptoren auf der Zellmembran mechanisch an
das Substrat zu koppeln. Schematisch ist die Integrin-vermittelte Adhäsion in Abbildung 1-3
dargestellt. Häufig wird die Anheftung, Wanderung und Vermehrung von Zellen in einem Gel
begünstigt, wenn Proteine oder Peptide, die über Adhäsionsdomänen verfügen, kovalent
immobilisiert sind. [9]
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