TY  - JOUR
A1  - Krüger-Genge, A.
A1  - Braune, S.
A1  - Walter, M.
A1  - Krengel, M.
A1  - Kratz, K.
A1  - Küpper, J. H.
A1  - Lendlein, Andreas
A1  - Jung, Friedrich
T1  - Influence of different surface treatments of poly(n-butyl acrylate) networks on fibroblasts adhesion, morphology and viability
JF  - Clinical hemorheology and microcirculation : blood flow and vessels
N2  - BACKGROUND: Physical and chemical characteristics of implant materials determine the fate of long-term cardiovascular devices. However, there is still a lack of fundamental understanding of the molecular mechanisms occurring in the material-tissue interphase. In a previous study, soft covalently crosslinked poly(n-butyl acrylate) networks (cPnBA) were introduced as sterilizable, non-toxic and immuno-compatible biomaterials with mechanical properties adjustable to blood vessels. Here we study the influence of different surface treatments in particular oxygen plasma modification and fibrinogen deposition as well as a combinatorial approach on the adhesion and viability of fibroblasts. RESULTS: Compared to non-treated cPnBAs the advancing water-contact angles were found to be reduced after all surface modifications (p<0.05, each), while lowest values were observed after the combined surface treatment (OPT+FIB). The latter differed significantly from the single OPT and FIB. The number of adherent fibroblasts and their adherence behavior differed on both pristine cPnBA networks. The fibroblast density on cPnBA04 was 743 +/- 434 cells. mm(-2), was about 6.5 times higher than on cPnBA73 with 115 +/- 73 cells. mm(-2). On cPnBA04 about 20% of the cells were visible as very small, round and buckled cells while all other cells were in a migrating status. On cPnBA73, nearly 50% of fibroblasts were visible as very small, round and buckled cells. The surface functionalization either using oxygen plasma treatment or fibrinogen coating led to a significant increase of adherent fibroblasts, particularly the combination of both techniques, for both cPnBA networks. It is noteworthy to mention that the fibrinogen coating overruled the characteristics of the pristine surfaces; here, the fibroblast densities after seeding were identical for both cPnBAnetworks. Thus, the binding rather depended on the fibrinogen coating than on the substrate characteristics anymore. While the integrity of the fibroblasts membrane was comparable for both polymers, the MTS tests showed a decreased metabolic activity of the fibroblasts on cPnBA. CONCLUSION: The applied surface treatments of cPnBA successfully improved the adhesion of viable fibroblasts. Under resting conditions as well as after shearing the highest fibroblast densities were found on surfaces with combined post-treatment.
KW  - Biomaterial
KW  - poly(n-butyl acrylate)
KW  - fibroblast
KW  - oxygen plasma
KW  - fibrinogen
KW  - cell adhesion
KW  - focal adhesion
KW  - actin cytoskeleton
KW  - viability
Y1  - 2018
U6  - https://doi.org/10.3233/CH-189130
SN  - 1386-0291
SN  - 1875-8622
VL  - 69
IS  - 1-2
SP  - 305
EP  - 316
PB  - IOS Press
CY  - Amsterdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Nie, Yan
A1  - Wang, Weiwei
A1  - Xu, Xun
A1  - Zou, Jie
A1  - Bhuvanesh, Thanga
A1  - Schulz, Burkhard
A1  - Ma, Nan
A1  - Lendlein, Andreas
T1  - Enhancement of human induced pluripotent stem cells adhesion through multilayer laminin coating
JF  - Clinical hemorheology and microcirculation : blood flow and vessels
N2  - Bioengineered cell substrates are a highly promising tool to govern the differentiation of stem cells in vitro and to modulate the cellular behavior in vivo. While this technology works fine for adult stem cells, the cultivation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) is challenging as these cells typically show poor attachment on the bioengineered substrates, which among other effects causes substantial cell death. Thus, very limited types of surfaces have been demonstrated suitable for hiPSC cultures. The multilayer coating approach that renders the surface with diverse chemical compositions, architectures, and functions can be used to improve the adhesion of hiPSCs on the bioengineered substrates. We hypothesized that a multilayer formation based on the attraction of molecules with opposite charges could functionalize the polystyrene (PS) substrates to improve the adhesion of hiPSCs. Polymeric substrates were stepwise coated, first with dopamine to form a polydopamine (PDA) layer, second with polylysine and last with Laminin-521. The multilayer formation resulted in the variation of hydrophilicity and chemical functionality of the surfaces. Hydrophilicity was detected using captive bubble method and the amount of primary and secondary amines on the surface was quantified by fluorescent staining. The PDA layer effectively immobilized the upper layers and thereby improved the attachment of hiPSCs. Cell adhesion was enhanced on the surfaces coated with multilayers, as compared to those without PDA and/or polylysine. Moreover, hiPSCs spread well over this multilayer laminin substrate. These cells maintained their proliferation capacity and differentiation potential. The multilayer coating strategy is a promising attempt for engineering polymer-based substrates for the cultivation of hiPSCs and of interest for expanding the application scope of hiPSCs.
KW  - Polymeric substrate
KW  - surface coating
KW  - induced pluripotent stem cells
KW  - cell adhesion
Y1  - 2019
U6  - https://doi.org/10.3233/CH-189318
SN  - 1386-0291
SN  - 1875-8622
VL  - 70
IS  - 4
SP  - 531
EP  - 542
PB  - IOS Press
CY  - Amsterdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hommes-Schattmann, Paul J.
A1  - Neffe, Axel T.
A1  - Ahmad, Bilal
A1  - Williams, Gareth R.
A1  - Vanneaux, Valerie
A1  - Menasche, Philippe
A1  - Kalfa, David
A1  - Lendlein, Andreas
T1  - RGD constructs with physical anchor groups as polymer co-electrospinnable cell adhesives
JF  - Polymers for advanced technologies
N2  - The tissue integration of synthetic polymers can be promoted by displaying RGD peptides at the biointerface with the objective of enhancing colonization of the material by endogenous cells. A firm but flexible attachment of the peptide to the polymer matrix, still allowing interaction with receptors, is therefore of interest. Here, the covalent coupling of flexible physical anchor groups, allowing for temporary immobilization on polymeric surfaces via hydrophobic or dipole-dipole interactions, to a RGD peptide was investigated. For this purpose, a stearate or an oligo(ethylene glycol) (OEG) was attached to GRGDS in 51-69% yield. The obtained RGD linker constructs were characterized by NMR, IR and MALDI-ToF mass spectrometry, revealing that the commercially available OEG and stearate linkers are in fact mixtures of similar compounds. The RGD linker constructs were co-electrospun with poly(p-dioxanone) (PPDO). After electrospinning, nitrogen could be detected on the surface of the PPDO fibers by X-ray photoelectron spectroscopy. The nitrogen content exceeded the calculated value for the homogeneous material mixture suggesting a pronounced presentation of the peptide on the fiber surface. Increasing amounts of RGD linker constructs in the electrospinning solution did not lead to a detection of an increased amount of peptide on the scaffold surface, suggesting inhomogeneous distribution of the peptide on the PPDO fiber surface. Human adipose-derived stem cells cultured on the patches showed similar viability as when cultured on PPDO containing pristine RGD. The fully characterized RGD linker constructs could serve as valuable tools for the further development of tissue-integrating polymeric scaffolds. Copyright (c) 2016 John Wiley & Sons, Ltd.
KW  - electrospinning
KW  - RGD peptides
KW  - cell adhesion
KW  - biofunctionalization
Y1  - 2017
U6  - https://doi.org/10.1002/pat.3963
SN  - 1042-7147
SN  - 1099-1581
VL  - 28
SP  - 1312
EP  - 1317
PB  - Wiley
CY  - Hoboken
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Prokopovic, Vladimir Z.
A1  - Vikulina, Anna S.
A1  - Sustr, David
A1  - Duschl, Claus
A1  - Volodkin, Dmitry
T1  - Biodegradation-Resistant Multilayers Coated with Gold Nanoparticles. Toward a Tailor-made Artificial Extracellular Matrix
JF  - Journal of colloid and interface science
N2  - Polymer multicomponent coatings such as multilayers mimic an extracellular, matrix (ECM) that attracts significant attention for the use of the multilayers as functional supports for advanced cell culture and tissue engineering. Herein, biodegradation and molecular transport in hyaluronan/polylysine multilayers coated with gold nanoparticles were described. Nanoparticle coating acts as a semipermeable barrier that governs molecular transport into/from the multilayers, and makes them biodegradation-resistant. Model protein lysozyme (mimics of ECM-soluble signals) diffuses into the multilayers as fast- and, slow-diffusing populations existing in an equilibrium,. Such a. composite system may have high potential to be exploited as degradation-resistant drug-delivery platforms suitable for cell-based applications.
KW  - hyaluronic acid
KW  - polylysine
KW  - diffusion
KW  - semipermeable
KW  - fluorescence recovery after photobleaching
KW  - layer-by-layer
KW  - enzymatic degradation
KW  - cell adhesion
Y1  - 2016
U6  - https://doi.org/10.1021/acsami.6b10095
SN  - 1944-8244
VL  - 8
SP  - 24345
EP  - 24349
PB  - American Chemical Society
CY  - Washington
ER  - 
TY  - THES
A1  - Uhlig, Katja
T1  - Untersuchungen PEG-basierter thermo-responsiver Polymeroberflächen zur Steuerung der Zelladhäsion
T1  - Analysis of PEG-based thermo-responsive polymer surfaces to control cell adhesion
N2  - Moderne Methoden für die Einzelzellanalyse werden dank der fortschreitenden Weiterentwicklung immer sensitiver. Dabei steigen jedoch auch die Anforderungen an das Probenmaterial. Viele Aufbereitungsprotokolle adhärenter Zellen beinhalten eine enzymatische Spaltung der Oberflächenproteine, um die Ablösung vom Zellkultursubstrat zu ermöglichen. Verschiedene Methoden, wie die Patch-Clamp-Technik oder eine auf der Markierung extrazellulärer Domänen von Membranproteinen basierende Durchflusszytometrie können dann nur noch eingeschränkt eingesetzt werden. Daher ist die Etablierung neuer Zellablösemethoden dringend notwendig. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals PEG-basierte thermo-responsive Oberflächen erfolgreich für die Zellkultur eingesetzt. Dabei wird das zerstörungsfreie Ablösen verschiedener Zelllinien von den Oberflächen durch Temperatursenkung realisiert. Die Funktionalität der Oberflächen wird durch Variation der Polymerstruktur, sowie der Konzentration der Beschichtungslösung, durch Beschichtung der Oberflächen mit einem zelladhäsionsfördernden Protein (Fibronektin) und durch Adsorption zelladhäsionsvermittelnder Peptide (RGD) optimiert. Um den Zellablösungsprozess detaillierter zu untersuchen, wird hier zum ersten Mal der direkte Zellkontakt mit thermo-responsiven Oberflächen mittels oberflächensensitiver Mikroskopie (TIRAF) sichtbar gemacht. Mit dieser Technik sind die exakte Quantifizierung und die Analyse der Reduktion der Zelladhäsionsfläche während des Abkühlens möglich. Hierbei werden in Abhängigkeit von der Zelllinie Unterschiede im Zellverhalten während des Ablösens festgestellt: Zellen, wie eine Brustkrebszelllinie und eine Ovarzelllinie, die bekanntermaßen stärker mit ihrer Umgebung in Kontakt treten, vergrößern im Verlauf des Beobachtungszeitraumes den Abstand zwischen Zellmembran und Oberfläche, reduzieren jedoch ihre Zell-Substratkontaktfläche kaum. Mausfibroblasten hingegen verkleinern drastisch die Zelladhäsionsfläche. Der Ablösungsprozess wird vermutlich aktiv von den Zellen gesteuert. Diese Annahme wird durch zwei Beobachtungen gestützt: Erstens verläuft die Reduktion der Zelladhäsionsfläche bei Einschränkung des Zellmetabolismus durch eine Temperatursenkung auf 4 °C verzögert. Zweitens hinterlassen die Zellen Spuren, die nach dem Ablösen der Zellen auf den Oberflächen zurückbleiben. Mittels Kombination von TIRAF- und TIRF-Mikroskopie werden die Zelladhäsionsfläche und die Aktinstruktur gleichzeitig beobachtet. Die Verknüpfung beider Methoden stellt eine neue Möglichkeit dar, intrazelluläre Prozesse mit der Zellablösung von thermo-responsiven Oberflächen zu korrelieren.
N2  - Modern methods for single-cell analysis are becoming increasingly sensitive. At the same time, requirements for the sample material are on the rise. Today, sample preparation of adherent cells usually includes steps of enzymatic treatment to digest surface proteins thus, inducing cell detachment from culture substrates. This strongly limits the application of different techniques like patch clamp or labelling of extracellular domains of membrane proteins for flow cytometry. Therefore, a new cell detachment method is urgently required. In the present work, new PEG-based thermo-responsive polymers are used for cell culture for the first time. Here, non-destructive detachment of different cell lines from polymer-coated surfaces is realised by controlled temperature reduction. The surface functionality is systematically optimised by varying the concentration of the coating solutions, by artificial surface coating of a cell adhesion-mediating protein (fibronectin) and by co-adsorption of a cell adhesion-mediating peptide (RGD). For detailed analysis of the cell detachment process, TIRF microscopy is used to directly visualise the cell contacts on the thermo-responsive surfaces. Using this technique allows both the quantification and analysis of the reduction of the cell adhesion area during sample cooling. Furthermore, for several cell lines, different behaviours in cell detachment are observed. Cells that have close contact to their substrate like MCF-7 breast cancer cell line and CHO-K1 ovary cells increase the distance between cell membrane and surface, but there is only little decrease of cell-substrate adhesion area. In contrast, L929 fibroblasts reduce the cell adhesion area drastically. Furthermore, the hypothesis that the cell detachment is an active process is shown by lowering the cell metabolism by temperature reduction to 4 °C and by the cell traces that are left behind after rinsing the surfaces. A combination of TIRAF and TIRF enables visualising the cell adhesion area and actin structures. Measuring both parameters simultaneously opens up new possibilities to correlate intracellular and cell detachment processes on thermo-responsive surfaces.
KW  - thermo-responsive Polymere
KW  - Polyethylenglykol
KW  - TIRF
KW  - Zelladhäsion
KW  - thermo-responsive polymers
KW  - polyethylene glycol
KW  - TIRF
KW  - cell adhesion
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-47784
ER  - 
TY  - THES
A1  - Korn, Christian
T1  - Stochastic dynamics of cell adhesion in hydrodynamic flow
T1  - Stochastische Dynamik der Zelladhäsion im hydrodynamischen Fluss
N2  - In this thesis the interplay between hydrodynamic transport and specific adhesion is theoretically investigated. An important biological motivation for this work is the rolling adhesion of white blood cells experimentally investigated in flow chambers. There, specific adhesion is mediated by weak bonds between complementary molecular building blocks which are either located on the cell surface (receptors) or attached to the bottom plate of the flow chamber (ligands). The model system under consideration is a hard sphere covered with receptors moving above a planar ligand-bearing wall. The motion of the sphere is influenced by a simple shear flow, deterministic forces, and Brownian motion. An algorithm is given that allows to numerically simulate this motion as well as the formation and rupture of bonds between receptors and ligands. The presented algorithm spatially resolves receptors and ligands. This opens up the perspective to apply the results also to flow chamber experiments done with patterned substrates based on modern nanotechnological developments. In the first part the influence of flow rate, as well as of the number and geometry of receptors and ligands, on the probability for initial binding is studied. This is done by determining the mean time that elapses until the first encounter between a receptor and a ligand occurs. It turns out that besides the number of receptors, especially the height by which the receptors are elevated above the surface of the sphere plays an important role. These findings are in good agreement with observations of actual biological systems like white blood cells or malaria-infected red blood cells. Then, the influence of bonds which have formed between receptors and ligands, but easily rupture in response to force, on the motion of the sphere is studied. It is demonstrated that different states of motion-for example rolling-can be distinguished. The appearance of these states depending on important model parameters is then systematically investigated. Furthermore, it is shown by which bond property the ability of cells to stably roll in a large range of applied flow rates is increased. Finally, the model is applied to another biological process, the transport of spherical cargo particles by molecular motors. In analogy to the so far described systems molecular motors can be considered as bonds that are able to actively move. In this part of the thesis the mean distance the cargo particles are transported is determined.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wird das Zusammenspiel zwischen hydrodynamischem Transport und spezifischer Adhäsion theoretisch untersucht. Eine wichtige biologische Motivation für diese Arbeit ist die rollende Adhäsion weißer Blutkörperchen, die experimentell in Flusskammern untersucht wird. Die spezifische Adhäsion wird durch schwache Bindungen zwischen komplementären molekularen Bausteinen vermittelt, die sich einerseits auf der Zelloberfläche, Rezeptoren genannt, andererseits auf der unteren begrenzenden Platte der Flusskammer, Liganden genannt, befinden. Das untersuchte Modellsystem besteht aus einer festen Kugel, die mit Rezeptoren bedeckt ist und sich unter dem Einfluss einer einfachen Scherströmung, deterministischer Kräfte und der Brownschen Molekularbewegung oberhalb einer mit Liganden bedeckten Wand bewegt. Es wird ein Algorithmus angegeben, mit dessen Hilfe diese Bewegung sowie das Entstehen und Reißen von Bindungen zwischen Rezeptoren und Liganden numerisch simuliert werden kann. In der numerischen Modellierung werden die Positionen von Rezeptoren und Liganden räumlich aufgelöst, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, die Ergebnisse auch mit Flusskammerexperimenten, in denen moderne nanotechnologisch strukturierte Substrate verwendet werden, zu vergleichen. Als Erstes wird der Einfluss von Strömungsrate sowie Zahl und Form der Rezeptoren bzw. Liganden auf die Wahrscheinlichkeit, mit der es zu einer Bindung kommen kann, untersucht. Hierfür wird die mittlere Zeit bestimmt, die vergeht bis zum ersten Mal ein Rezeptor mit einem Liganden in Kontakt kommt. Dabei stellt sich heraus, dass neben der Anzahl der Rezeptoren auf der Kugel insbesondere der Abstand, welchen die Rezeptoren von der Oberfläche haben, eine große Rolle spielt. Dieses Ergebnis ist in sehr guter Übereinstimmung mit tatsächlichen biologischen Systemen wie etwa weißen Blutkörperchen oder mit Malaria infizierten roten Blutkörperchen. Als Nächstes wird betrachtet, welchen Einfluss Bindungen haben, die sich zwischen Rezeptoren und Liganden bilden, aber unter Kraft auch leicht wieder reißen. Dabei zeigt sich, dass verschiedene Bewegungstypen auftreten, beispielsweise Rollen, deren Erscheinen in Abhängigkeit wichtiger Modellparameter dann systematisch untersucht wird. Weiter wird der Frage nachgegangen, welche Eigenschaften von Bindungen dazu führen können, dass Zellen in einem großen Bereich von Strömungsraten ein stabiles Rollverhalten zeigen. Abschließend wird das Modell auf einen etwas anderen biologischen Prozess angewendet, nämlich den Transport kugelförmiger Lastpartikeln durch molekulare Motoren. In Analogie zu den bisher beschriebene Systemen können diese molekularen Motoren als sich aktiv bewegende Bindungen betrachtet werden. In diesem Teil der Arbeit wird ermittelt, wie weit die Lastpartikel im Mittel transportiert werden.
KW  - Rollende Adhäsion
KW  - Stokessche Dynamik
KW  - Zelladhäsion
KW  - Hydrodynamischer Fluss
KW  - Stochastischer Prozess
KW  - rolling adhesion
KW  - Stokesion Dynamics
KW  - cell adhesion
KW  - hydrodynamic flow
KW  - stochastic process
KW  - mean first passage times
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-12997
ER  - 
TY  - THES
A1  - Erdmann, Thorsten
T1  - Stochastic dynamics of adhesion clusters under force
T1  - Stochastische Dynamik von Adhäsionsclustern unter Kraft
N2  - Adhesion of biological cells to their environment is mediated by two-dimensional clusters of specific adhesion molecules which are assembled in the plasma membrane of the cells. Due to the activity of the cells or external influences, these adhesion sites are usually subject to physical forces. In recent years, the influence of such forces on the stability of cellular adhesion clusters was increasingly investigated. In particular, experimental methods that were originally designed for the investigation of single bond rupture under force have been applied to investigate the rupture of adhesion clusters. The transition from single to multiple bonds, however, is not trivial and requires theoretical modelling.  Rupture of biological adhesion molecules is a thermally activated, stochastic process. In this work, a stochastic model for the rupture and rebinding dynamics of clusters of parallel adhesion molecules under force is presented. In particular, the influence of (i) a constant force as it may be assumed for cellular adhesion clusters is investigated and (ii) the influence of a linearly increasing force as commonly used in experiments is considered. Special attention is paid to the force-mediated cooperativity of parallel adhesion bonds. Finally, the influence of a finite distance between receptors and ligands on the binding dynamics is investigated. Thereby, the distance can be bridged by polymeric linker molecules which tether the ligands to a substrate.
N2  - Adhäsionskontakte biologischer Zellen zu ihrer Umgebung werden durch zweidimensionale Cluster von spezifischen Adhäsionsmolekülen in der Plasmamembran der Zellen vermittelt. Aufgrund der Zellaktivität oder äußerer Einflüsse sind diese Kontakte normalerweise Kräften ausgesetzt. Der Einfluss mechanischer Kräfte auf die Stabilität zellulärer Adhäsionscluster wurde in den vergangenen Jahren verstärkt experimentell untersucht. Insbesondere wurden experimentelle Methoden, die zunächst vor allem zur Untersuchung des Reißssverhaltens einzelner Moleküle unter Kraft entwickelt wurden, zur Untersuchung von Adhäsionsclustern verwendet. Die Erweiterung von einzelnen auf viele Moleküle ist jedoch keineswegs trivial und erfordert theoretische Modellierung.  Das Reißen biologischer Adhäsionsmoleküle ist ein thermisch aktivierter, stochastischer Prozess. In der vorliegenden Arbeit wird ein stochastisches Modell zur Beschreibung der Reiß- und Rückbindedynamik von Clustern paralleler Adhäsionsmoleküle unter dem Einfluss einer mechanischen Kraft vorgestellt mit dem die Stabilität der Cluster untersucht wird. Im besonderen wird (i) der Einfluss einer konstante Kraft untersucht wie sie in zellulären Adhäsionsclustern angenommen werden kann und (ii) der Einfluss einer linear ansteigenden Kraft betrachtet wie sie gemeinhin in Experimenten angewendet wird. Besonderes Augenmerk liegt hier auf der durch die Kraft vermittelte Kooperativität paralleler Bindungen. Zuletzt wird der Einfluss eines endlichen Abstandes zwischen Rezeptoren und Liganden auf die Dynamik untersucht. Der Abstand kann hierbei durch Polymere, durch die die Liganden an das Substrat gebunden sind, überbrückt werden.
KW  - Biophysik
KW  - Stochastischer Prozess
KW  - Stochastisches dynamisches System
KW  - Mastergleichung
KW  - Adhäsionscluster
KW  - Zelladhäsion
KW  - dynamische Kraftspektroskopie
KW  - master equation
KW  - adhesion cluster
KW  - cell adhesion
KW  - dynamic force spectroscopy
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5564
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwarz, Ulrich Sebastian
T1  - Forces and elasticity in cell adhesion
T1  - -
N2  - Das Verhalten adhärenter Zellen hängt stark von den chemischen, topographischen und mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung ab. Experimentelle Untersuchungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass adhärente Zellen aktiv die elastischen Eigenschaften ihrer Umgebung erkunden, indem sie an dieser ziehen. Der resultierende Kraftaufbau hängt von den elastischen Eigenschaften der Umgebung ab und wird an den Adhäsionskontakten in entsprechende biochemische Signale umgewandelt, die zelluläre Programme wie Wachstum, Differenzierung, programmierten Zelltod und Zellbewegung mitbestimmen. Im Allgemeinen sind Kräfte wichtige Einflussgrößen in biologischen Systemen. Weitere Beispiele dafür sind Hör- und Tastsinn, Wundheilung sowie die rollende Adhäsion von weißen Blutkörperchen auf den Wänden der Blutgefäße. In der Habilitationsschrift von Ulrich Schwarz werden mehrere theoretische Projekte vorgestellt, die die Rolle von Kräften und Elastizität in der Zelladhäsion untersuchen. (1) Es wurde eine neue Methode entwickelt, um die Kräfte auszurechnen, die Zellen an den Kontaktpunkten auf mikro-strukturierte elastische Substrate ausüben. Das Hauptergebnis ist, dass Zell-Matrix-Kontakte als Mechanosensoren funktionieren, an denen interne Kräfte in Proteinaggregation umgewandelt werden. (2) Eine Ein-Schritt-Master-Gleichung, die die stochastische Dynamik von Adhäsionsclustern als Funktion von Clustergröße, Rückbindungsrate und Kraft beschreibt, wurde sowohl analytisch als auch numerisch gelöst. Zudem wurde dieses Modell auf Zell-Matrix-Kontakte, dynamische Kraftspektroskopie sowie die rollende Adhäsion angewandt. (3) Im Rahmen der linearen Elastizitätstheorie und mit Hilfe des Konzepts der Kraftdipole wurde ein Modell formuliert und gelöst, das die Positionierung und Orientierung von Zellen in weicher Umgebung vorhersagt. Diese Vorhersagen sind in guter Übereinstimmung mit zahlreichen experimentellen Beobachtungen für Fibroblasten auf elastischen Substraten und in Kollagen-Gelen.
N2  - The behaviour of an adhering cell is strongly influenced by the chemical, topographical and mechanical properties of the surface it attaches to. During recent years, it has been found experimentally that adhering cells actively sense the elastic properties of their environment by pulling on it through numerous sites of adhesion. The resulting build-up of force at sites of adhesion depends on the elastic properties of the environment and is converted into corresponding biochemical signals, which can trigger cellular programmes like growth, differentiation, apoptosis, and migration. In general, force is an important regulator of biological systems, for example in hearing and touch, in wound healing, and in rolling adhesion of leukocytes on vessel walls. In the habilitation thesis by Ulrich Schwarz, several theoretical projects are presented which address the role of forces and elasticity in cell adhesion. (1) A new method has been developed for calculating cellular forces exerted at sites of focal adhesion on micro-patterned elastic substrates. The main result is that cell-matrix contacts function as mechanosensors, converting internal force into protein aggregation. (2) A one-step master equation for the stochastic dynamics of adhesion clusters as a function of cluster size, rebinding rate and force has been solved both analytically and numerically. Moreover this model has been applied to the regulation of cell-matrix contacts, to dynamic force spectroscopy, and to rolling adhesion. (3) Using linear elasticity theory and the concept of force dipoles, a model has been introduced and solved which predicts the positioning and orientation of mechanically active cells in soft material, in good agreement with experimental observations for fibroblasts on elastic substrates and in collagen gels.
T2  - Forces and elasticity in cell adhesion
KW  - Biophysik
KW  - Zelladhäsion
KW  - elastische Substrate
KW  - Elastizitätstheorie
KW  - Kraftdipole
KW  - stochastische Dynamik
KW  - Master-Gleichungen
KW  - rollende Adhäsion
KW  - dyna
KW  - biophysics
KW  - cell adhesion
KW  - elastic substrates
KW  - elasticity theory
KW  - force dipoles
KW  - stochastic dynamics
KW  - master equations
KW  - rolling adhesion
KW  - dynamic forc
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001343
ER  - 
TY  - THES
A1  - Groth, Thomas
T1  - Die Bedeutung der Volumen- und Oberflächeneigenschaften von Biomaterialien für die Adsorption von Proteinen und nachfolgende zelluläre Reaktionen
N2  - Es ist schon seit längerer Zeit bekannt, dass nach Kontakt des Biomaterials mit der biologischen Umgebung bei Implantation oder extrakorporaler Wechselwirkung zunächst Proteine aus dem umgebenden Milieu adsorbiert werden, wobei die Oberflächeneigenschaften des Materials die Zusammensetzung der Proteinschicht und die Konformation der darin enthaltenden Proteine determinieren. Die nachfolgende Wechselwirkung von Zellen mit dem Material wird deshalb i.d.R. von der Adsorbatschicht vermittelt. Der Einfluss der Oberflächen auf die Zusammensetzung und Konformation der Proteine und die nachfolgende Wechselwirkung mit Zellen ist von besonderem Interesse, da einerseits eine Aussage über die Anwendbarkeit ermöglicht wird, andererseits Erkenntnisse über diese Zusammenhänge für die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Biokompatibilität genutzt werden können. In der vorliegenden Habilitationsschrift wurde deshalb der Einfluss der Zusammensetzung von Polymeren bzw. von deren Oberflächeneigenschaften auf die Adsorption von Proteinen, den Aktivitätszustand der plasmatischen Gerinnung und die Adhäsion von Zellen untersucht. Dabei wurden auch Möglichkeiten zur Beeinflussung dieser Vorgänge über eine Veränderung der Volumenzusammensetzung oder durch Oberflächenmodifikationen von Biomaterialien vorgestellt. Erkenntnisse aus diesen Arbeiten konnten für die Entwicklung von Membranen für Biohybrid-Organe genutzt werden.
N2  - The implantation of biomaterials or the contact of blood with extracorporal devices leads to the rapid adsorption of proteins from the surrounding biological fluids. The surface properties of materials determine the composition of the adsorption layer and the conformation of adsorbed proteins. Hence, the subsequent interaction of cells with biomaterials is dependent on the adsorption layer of proteins. The detailed knowledge on the role of surface properties in protein adsorption and cellular interactions is a useful means to learn about the biomedical applicability of materials and to develop novel materials with improved biocompatibility. The thesis describes the influence of polymer composition and surface properties on protein adsorption, the activation of blood clotting and adhesion of cells. The thesis presents options to modify the reactions of the biological system by the modification of bulk or surface composition of polymers. Results of these studies have been used to develop polymer membranes for biohybrid organs.
KW  - Biomaterialien
KW  - Polymere
KW  - Protein Adsorption
KW  - Zelladhäsion
KW  - Biohybride Organe
KW  - biomaterials
KW  - polymers
KW  - protein adsorption
KW  - cell adhesion
KW  - biohybrid organs
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001022
ER  -