12
Biol und 32 Prof. Dr. Cars Tel.: 0351 465 werner@ipfdd Prof. Dr. Brig Tel.: 0351 465 [email protected] logie- Mate sten Werner 58-531 d.de itte Voit 58-590 -insp erial Lebende Org molekulare S Funktionen u sich ändernd anzupassen. dagegen bish Regulationsm ein biorespo die Blutgerin kontrollierte effektiver un Materialien, werden (Nat dx.doi.org/10 soll künftig v Medizinprod Blutkontakt bietet das 20 Zwanzig20 a RESPONSE Implantattec Universität R Stammzellen extrazellulär miteinander eingebettet. nachvollzieh menarbeit m Universität D und Zentrum Rahmen des forschungsb to Tissues) e die von Zellk Matrix auf Ob kann. Dieses Blutstammz Menschen an schneller ve bisher dafür Die neue Me keiten zur En Stammzellen durch ihre M könnte künft genutzt werd 10.1038/NME Regenerative Neubildung v mehr und m Zu deren Akt Matrixsystem pirier gesta ganismen nutz Steuerungsm und Stoffwech den Umgebun Synthetische her noch nich möglichkeiten nsives Hydrog nnung durch s e Freisetzung v nterdrücken ka die derzeit kl ure Communi 0.1038/ncomm vor allem zur ukten genutzt zur Anwendun 013 zur Förder usgewählte B Partnerscha chnologien (Ko Rostock) einen n sind in der N re Matrix aus verknüpften B Um derartige en zu können mit Kollegen de Dresden (Med m für Regener 2013 verlänge ereichs 655 d eine Methode e kulturen produ berflächen ve s Prinzip wurd ellen aus dem ngewandt, die rmehrt werde angewandten thodik bietet v ntschlüsselun n aus verschie Mikroumgebun tig auch für ze den (Nature M ETH2523). e Therapien s von Gewebe u ehr auf endog tivierung werd me benötigt, d rte G altun zen rückgeko echanismen, hsel-Paramet gsbedingunge e Materialien v t über solche n. Wir konnten gel entwickeln selbständig von Hemmsto ann als alle a inisch verwen ications, ms3168). Das K Beschichtung t werden, die ng kommen. H rung im Progr BMBF Projekt aft für innovat oordination n idealen Rah Natur in eine dreidimensio Biomakromol e Matrixstrukt , wurde in Zus er Technische izinische Faku ative Therapie erten Sonder- er DFG (From entwickelt, m uzierte extraz rankert werd de für die Kult m Knochenma e so etwa drei en konnten als n Kulturbeding vielfältige Mö ng von Signale edenen Geweb ng steuern las ellbasierte Th Methods, dx.do etzen für die und Organstru gene Mechani den Polymer- die sich erst im renz ng ppelte um er unter en verfügen n nun n, das offen nderen ndet Konzept g von im Hierzu ramm ive men. nal lekülen uren sam- en ultät en) im - m Cells it der elluläre en tur von rk des mal s mit gungen. glich- en, die ben ssen und erapien oi.org/ ukturen smen. m Z E E g ü d b w 10 M F S s T vo k U G P D c Z a ih vo B M A N g T F m B E G M T S L ra B B fläch ielgewebe au Ein neues, seh Erzeugung mu lycan-Polyeth ber Michael-T urch regiosel eider Polyme werden (Advan 0.1002/adma.2 Matrices stehe Forschungen z ystemen für d eit Juni 2013 i R67 der DFG on Heilungspr önnen. Unter den 2013 Graduierungsa Prädikat „sum Dissertation „T orneal endoth wei erfolgreic us dem Ausla hre Arbeit am on der Queen Brisbane, ausg Minister’s Que Award, und Be National Unive efördert durc rust, vertiefen Forschungen d modellen für T Behandlungsm Erkrankungen Gemeinsam m Molekulare Bio echnischen U eptember 201 Life mit Beiträ agender Wiss Biomaterialien Biologie organ hen- s löslichen Pr r vielseitiges ltifunktionelle hylenglykol-Hy Type-Addition ektive Peptidf rkomponente nced Materials 201300691). De en auch im Fo zu immunmod die dermale W m Sonderfors Biomaterialie rozessen real 3 abgeschloss arbeiten war d ma cum laude Tissue engine helium“ von Ju che Nachwuch and haben sich IPF fortzuset sland Univers gezeichnet mi en Elizabeth I enjamin Newla ersity of Irelan h ein Stipend n für jeweils z des Instituts z Tumorzellen s methoden für n . it B CUBE, de oingenieursw Universität Dre 13 die Konfere gen internatio enschaftler d n, Biophysik u isiert werden rekursoren bi Prinzip zur er Glycosamin ybridnetzwerk sreaktionen k funktionalisie en entwickelt s, dx.doi.org/ erartige in situ kus der dulatorischen Wundheilung, schungsbereic en zur Steueru lisiert werden senen die mit dem e“ ausgezeich ering of the h uliane Teichm hswissenscha h 2013 entschi tzen: Laura Br sity of Techno t dem Prime II Diamond Ju and von der nd, Galway, ium des Wellc zwei Jahre die u 3D-Kultur- sowie zu neue neurodegener m Zentrum fü issenschaft de esden, konnte enz Engineerin onal heraus- er Gebiete nd Synthetisc . lden. no- ke konnte rung u die ch ung hnete uman mann. aftler ieden, ray logy, bilee come e n rative ür er e im ng he

ogie- inspirierte Grenzflächen- und Materialgestaltung · 2014-04-04 · Biol und 32 Prof. Dr. Cars Tel.: 0351 465 werner@ipfdd Prof. Dr. Brig Tel.: 0351 465 [email protected] ogie-Mate

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Biolund

32

Prof. Dr. Cars

Tel.: 0351 465

werner@ipfdd

Prof. Dr. Brig

Tel.: 0351 465

[email protected]

logie- Mate

sten Werner

58-531

d.de

itte Voit

58-590

-insperial

Lebende Orgmolekulare SFunktionen usich änderndanzupassen.dagegen bishRegulationsmein biorespodie Blutgerinkontrollierteeffektiver unMaterialien, werden (Natdx.doi.org/10soll künftig vMedizinprodBlutkontakt bietet das 20Zwanzig20 aRESPONSE –ImplantattecUniversität RStammzellenextrazellulärmiteinander eingebettet. nachvollziehmenarbeit mUniversität Dund ZentrumRahmen desforschungsbto Tissues) edie von ZellkMatrix auf Obkann. DiesesBlutstammzMenschen anschneller vebisher dafür Die neue Mekeiten zur EnStammzellendurch ihre Mkönnte künftgenutzt werd10.1038/NME RegenerativeNeubildung vmehr und mZu deren AktMatrixsystem

piriergesta

ganismen nutzSteuerungsmund Stoffwechden Umgebun Synthetischeher noch nichmöglichkeitennsives Hydrog

nnung durch se Freisetzung vnterdrücken ka

die derzeit klure Communi

0.1038/ncommvor allem zur ukten genutztzur Anwendun

013 zur Förderusgewählte B– Partnerschachnologien (KoRostock) einenn sind in der Nre Matrix aus verknüpften BUm derartigeen zu können

mit Kollegen deDresden (Medm für Regener

2013 verlängeereichs 655 d

eine Methode ekulturen produberflächen ves Prinzip wurdellen aus demngewandt, diermehrt werdeangewandtenthodik bietet vntschlüsselunn aus verschie

Mikroumgebuntig auch für zeden (Nature METH2523).

e Therapien svon Gewebe uehr auf endogtivierung werdme benötigt, d

rte Galtun

zen rückgekoechanismen,

hsel-Parametgsbedingunge

e Materialien vt über solche

n. Wir konntengel entwickelnselbständig von Hemmstoann als alle ainisch verwenications,

ms3168). Das KBeschichtungt werden, die ng kommen. Hrung im Progr

BMBF Projekt aft für innovatoordination n idealen RahNatur in eine dreidimensioBiomakromol

e Matrixstrukt, wurde in Zuser Technischeizinische Fakuative Therapieerten Sonder-er DFG (Fromentwickelt, muzierte extrazrankert werd

de für die Kultm Knochenmae so etwa dreien konnten alsn Kulturbedingvielfältige Mö

ng von Signaleedenen Gewebng steuern lasellbasierte Th

Methods, dx.do

etzen für die und Organstrugene Mechaniden Polymer-die sich erst im

renzng

ppelte um er unter en verfügen

n nun n, das

offen nderen

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Konzept g von im Hierzu ramm

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nal lekülen uren sam- en ultät en) im -

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ielgewebe auEin neues, sehErzeugung mu

lycan-Polyethber Michael-Turch regioseleider Polyme

werden (Advan0.1002/adma.2

Matrices steheForschungen z

ystemen für deit Juni 2013 iR67 der DFG on Heilungsprönnen.

Unter den 2013GraduierungsaPrädikat „sumDissertation „Torneal endothwei erfolgreicus dem Ausla

hre Arbeit am on der Queen

Brisbane, ausgMinister’s QueAward, und BeNational Unive

efördert durcrust, vertiefen

Forschungen dmodellen für TBehandlungsmErkrankungen

Gemeinsam mMolekulare Bio

echnischen Ueptember 201

Life mit Beiträagender Wiss

BiomaterialienBiologie organ

hen-

s löslichen Prr vielseitiges ltifunktionelle

hylenglykol-HyType-Additionektive Peptidfrkomponente

nced Materials201300691). Deen auch im Fozu immunmoddie dermale Wm SonderforsBiomaterialierozessen real

3 abgeschlossarbeiten war dma cum laude

Tissue enginehelium“ von Juche Nachwuchand haben sich

IPF fortzusetsland Univers

gezeichnet mien Elizabeth I

enjamin Newlaersity of Irelanh ein Stipendn für jeweils zdes Instituts zTumorzellen smethoden für n

.

it B CUBE, deoingenieursw

Universität Dre13 die Konferegen internatioenschaftler d

n, Biophysik uisiert werden

rekursoren biPrinzip zur er Glycosaminybridnetzwerksreaktionen kfunktionalisie

en entwickelt s, dx.doi.org/ erartige in situkus der

dulatorischen Wundheilung, schungsbereicen zur Steuerulisiert werden

senen die mit dem e“ ausgezeichering of the huliane Teichmhswissenschah 2013 entschitzen: Laura Brsity of Technot dem Prime II Diamond Juand von der nd, Galway, ium des Wellc

zwei Jahre dieu 3D-Kultur-

sowie zu neueneurodegener

m Zentrum füissenschaft deesden, konnteenz Engineerinonal heraus-er Gebiete nd Synthetisc.

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Biolund

Separation untersuchuBiopolymer Susanne BoAlbena Lede Die CharaktBiopolymeruntereinandstellt aufgrusetzung dereine HerausStandardmedie Größenagelangt dabGründe dafüdendritischeadsorptivenstationären innerhalb dkräfte, die bdendritischeAggregatenDegradationführen. AusAuftrennungFeldflussframit Lichtstrfindet die Auschmalen Kindem durcPolymere hschaften seDurch ihre VTrennbereickeit, sowohlAggregate ozu separiereStelle möchHerangehenuntersuchupolymeren (hülle) erläu1. AuftrennuEinzelmolekGegenstandsind hochmDendronen die aufgrunlen GruppenmolekulareBrücken ne

logie- Mate

und Wechselungen von denren

oye, Dietmar Aerer

terisierung voen und deren

der oder zu anund der kompr Probensystesforderung daethode zur Moausschlusschrbei sehr häufigür sind u.a. dier Polymere u

n WechselwirkPhase. Weite

er Trennsäulebei der Untersen Biopolyme oder Biohybr

n der nichtkov diesem Grung die Asymmeaktionierung (reudetektion (uftrennung im

Kanals ohne sth verschiedeninsichtlich ihrpariert werdeVielseitigkeit ch bietet die Al Einzelmolekoder Hybridstren und zu ana

hten wir drei vnsweisen bei Wngen von den(verzweigte Ptern:

ung und Charakülen und Aggd dieser AF4-Lolekulare Polund einer dicd der hohen An sehr stark zn Wechselwirigen. In syste

-insperial

wirkungs- ndritischen

Appelhans,

n dendritischWechselwirk

nderen Molekplexen Zusammme immer wi

ar. Besonders olmassenbestromatographig an ihre Grene Multifunktiound deren Neikungen mit deerhin herrschee sehr hohe Ssuchung von ren und deren

ridstrukturen valenten Bindnd haben wir fetrische FlussAF4) in KombLS) gewählt. H

m Inneren einetationäre Phan wirkende Flürer Diffusionsen. und den sehr

AF4-LS die Möküle als auch rukturen vonealysieren. An dverschiedene Wechselwirkudritischen Glyolymere mit M

akterisierung gregaten: LS Untersuchlymere mit Lyhten Maltoses

Anzahl an funkur Bildung vo

rkungen, wie zmatischen Stu

piriergesta

en kungen ülen men-eder die timmung, ie (SEC), nzen. onalität igung zu

er en cher-

n zu ungen ür die

s-bination Hierbei es se statt, üsse die eigen-

hohen öglich-

einander dieser

ungs-yko-Maltose-

von

ungen ysin-schale, ktionel-n inter-z.B. H-udien

wGKKgmmkWmA

2KBszPsdFKwdVDluneuAdBuMKIwK

rte Galtun

wurde der EinGenerationszaKonzentrationKonformationgekoppelter Dmit der AF4-Lmoleküle als konnte nachgWert die Strukmoleküle beeAggregationsv

2. AuftrennunKomponentenBei der Untersstrukturen, dizwischen biotPolypropylenisich heraus, ddispersen SysFall herrscht Komponentenwurden erstmdie einzelnen VerbindungenDabei wurde dligandenanzahund Biotin, odnisses (Avidineiner Biohybrund bivalenteAbb. 2 dargesdass in dem SBestandteile aund komplexeMolmassen voKombination mInformationenwurde auch eKonformation

renzng

nfluss der Denahl, des pH-Wn auf die Molmseigenschafte

Detektion näheLS möglich istauch Aggregaewiesen werdktur der einzeinflusst und dverhalten steu

g und Charakn eines Biokonsuchung von e auf nichtkovinylierten Glymin) und Avid

dass die Herststemen nicht meine Mischun

n vor. Diese komals mittels A

Bestandteile n zugeordnet uder Einfluss uhl, des Abstaner des molek: GD) betrachidstruktur, gem GD (Verhälttellt. Es wurd

System sowohals auch define Nanostruktuorhanden sindmit statischern über den Difine Aufklärunsverteilung m

fläch

ndronen-Wertes und dermassen, Radieen mittels AF4er betrachtet., sowohl Einz

ate zu detektieden, dass der elnen Polymerdamit das uert (Abb. 1) [1

kterisierung denjugates: Biohybrid-valenten Bindkodendrimere

din basieren, stellung von mmöglich ist. Ing von verschieomplexen SysF4-LS separieden jeweilige

und quantifizie.a. der Biotin-

ndes zwischenularen Verhältet. Ein Beisp

ebildet aus Avitnis 1:3), ist ine nachgewiesl ungebunden

nierte Architekuren mit sehr d [2]. In r Lichtstreuunffusionskoeffizg der

möglich.

hen-

r en und 4 und . Da es el-eren, pH-r-

1].

er

ungen en (GD, stellte ono-

n jedem edenen teme ert und n ert. -n GD lt-iel idin

n der sen, ne kturen hohen

ng und zienten

f

A

s

s

W

Keywords

biopolymers

bioconjugates

guest-host-syst

field-flow-frakt

light scattering

conformation

Abb. 1:

Übersicht über d

schematischen M

strukturen der P

dendronisierten

polymere als Ein

moleküle und Ag

bei verschiedene

Werten und vers

Konzentrationen

33

tems

tionation

ie

Molekül-

Polylysin-

Glyko-

nzel-

ggregate

en pH-

chiedenen

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Biolund

34

Abb. 2:

Zusammensetz

Biohybridstruk

gebildet aus Av

Glykodendrime

zwei Biotinliga

Verhältnis 1:3 b

mittels AF4-LS

logie- Mate

zung der

kturen

vidin und

eren (GD, mit

anden) im

bestimmt

S

-insperial

3. Quantifiziekapazität beiIm GegensatHybridstruktbei AufnahmGastmolekülpolymeren hhäufig eine MPolymer aufgvorliegt. Um zu quantifizieHerangehenentwickelt: (des Gast-Wirreinen Glykoten Gastmoleaufgenommemittels LS deMöglichkeit dder GastmolAbtrennung simultaner Ffiltrationseffsenkrechte LTrennkanal dtransportiertMembran kömoleküle abdetektiert bzsich dann bemenge der kersten Testmverzweigten korrelierten Methoden seAktuelle Untstoffsystemesimultane Ko

piriergesta

erung von Komi Gast-Wirt-Kotz zur Bildungturen sind die

me- oder Freislen in dendritiäufig geringe

Mischung aus genommenendie komplexi

eren, haben wsweisen mittei) über den Mort-Komplexes

opolymer die Zeküle berechnen Molekülen etektiert zu wder (ii) direkteeküle. Unser der freien Gas

Filtration. Dazekt der AF4 gLösungsmittedurch eine Met wird. Durch

önnen die kleingetrennt und

zw. quantifizieei bekannter Gkomplexierte Amessungen m

Glykopolymedie Ergebniss

ehr gut miteinersuchungen

e sollen zeigenomplexgrößen

rte Galtun

mplexierungsomplexen: von AggregatMoleküldimeetzungsstudieischen Glyko-r. Hinzu kommfreien und vo

n Gastmolekülerten Gastmo

wir zwei verschels AF4-LS olmassenzuw

s im VergleichZahl der kompnet. Ist der Anzu gering, umerden, gibt es

en QuantifizieWeg beruht astmoleküle mu wird der Ultenutzt, bei delfluss aus demembran heraudie Poren dernen, freien Gaquantitative

ert werden. SoGastmolekülgeAnteil berechnit einem hochr und einem Fse der beiden ander [3]. an Polymer-Wn, wie effektivnbestimmung

renzng

-

ten oder ensionen en von

mt, dass m len

oleküle hiedene

wachs zum

plexier-nteil an m s die rung uf der

mittels tra-

em der m us r ast-

o lässt esamt-nen. Bei

h Farbstoff

Wirk-v sich die g und -

qlä

KP

[1

[2

[3

fläch

uantifizierungässt.

Kooperation: Prof. L. Nilsso

1] Boye, S.; AZschoche,FormanekLederer, A(12), 4222-

2] Ennen, F.;M.; KombeAppelhans(DOI: 10.10

3] Boye, S.; PLederer, A(29), 4841-

hen-

g auf diese Sys

n University L

Appelhans, D. S.; Komber,

k, P.; Janke, AA.: Biomacrom-4235 Boye, S.; Leder, H.; Brutscs, D.: Polymer039/c3py01152fPolikarpov, N.A.: J. Chromat-4849

steme übertra

Lund

; Boyko, V.; H.; Friedel, P.

A.; Voit, B. I.; molecules 2012

derer, A.; Cernhy, B.; Voit, B.r Chemistry 20f) ; Appelhans,

togr. A 2010, 12

agen

.;

2, 13,

nescu, .; 014,

D.; 217,

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Anticoagulato different Manfred MaClaudia RenMikhail Tsu Activation ocontacting dvenous cathmedicine. Vstrategies inimmobilizathave been echallenges, Exploring anrecently devwhich releaheparin in rcoagulation(Fig. 1)[1,2]. achieved bycrosslinkedglycol) (starcleaved by tCleavage of liquid phaseenhanced acleavable hyapplied hepoptions for rpatient and,clinical app

Fig. 1:

Feedback cont

responsive hep

logie- Mate

ant hydrogels coagulation e

aitz, Jan Zitzmnneberg, Uwe rkan, Carsten

f the blood codevices such aheters is a perarious surfacncluding surfation of anticoaexplored to ad however, witn entirely newveloped a biorses the coagu

response to th process wheAnticoagulan

y a gel system with a four-a

rPEG) by linkethe coagulatiothe linker rel

e, where it exenticoagulant aydrogel outcoarin coatings reducing the d, thus, minimilication of gel

rol loop obtained

parin-releasing h

-insperial

s with respons enzymes

mann, Freudenberg

n Werner

oagulation by bas vascular strsisting problee modificationace passivatioagulant molecdress the resh limited succ

w concept, we responsive coulation inhibitohe activation on exposed to t feedback coconsisting of

armed poly(ether peptides spon enzyme thrleases heparierts a massiveactivity. The thmpetes clinicand may offe

drug load to tzing side effe-coated produ

d with a thrombin

hydrogel

piriergesta

siveness

,

blood-tents or em in n on and cules sulting cess. have ating, or

of the blood ntrol is heparin

hylene ecifically

rombin. n to the ely hrombin-cally r exciting he cts in the ucts.

-

ToahtNpatevnhecfhefmbtectbaeacbf

Fhd3tpm2[

rte Galtun

Thrombin, theof this hydrogagulation cascheparin is relethe coagulatioNumerical simprocess were assumption thtion inhibitor meffect of the gverification, hynetwork propeheparin, starPeither cleavedcoagulation fafactor Xa (FXahigher rate coestablished, Tfast, Thr-slowmediated gel buffered soluttion factors ateach (Fig. 2). Tconsidering ththe respectiveby the less abadjusted to exensure the reamounts of hecross-reactivibe specificallyfactor each.

For an applicahydrogels werdose anticoag37°C. To compthe hydrogelspro-coagulantmonolayers o20 % methyl t[3]. After two

renzng

e trigger enzymel, is a ‘late’ pcade reactioneased from thon reaction is mulations of t

performed cohat an earlier may improve tel system. Foydrogels witherties were prPEG and peptid by the earlieactors kallikrea-resp) or by tompared to thThrombin-cleaw, Thr-std). Co

degradation wtions of the ret a concentratThe peptides whe plasma cone enzymes, i.eundant ‘earlie

xhibit higher tlease of pharmeparin. There ity, i.e. the pepy cleaved by o

ation-orientedre exposed to

gulated humanpare the antic were co-incut surfaces (binf 80 % carboxerminated alkhours incubat

fläch

me for the cleprotease in th. As a conseq

his gel only, wfully activatedhe coagulatioonfirming the release of coathe anticoagu

or the experim comparable repared from des, which ca

er activated ein (Kal-resp)hrombin at loe previously avable peptideoagulation enzwas verified inespective coagtion of 45 nmowere designencentration lee. peptides cleer’ enzymes wurnover ratesmacologicallywas only min

ptides were fone coagulatio

d evaluation, tfreshly drawn

n whole bloodoagulant capa

ubated with hinary self-asse

xyl-terminatedkanethioles ontion, the pro-

hen-

eavage e co-uence,

when d. n

agula-ulant mental

an be

, by ower or

e (Thr-zyme-n gula-ol/l d

evels of eaved were s to y active imal

ound to on

he n, low at acity, ghly embled d and n gold)

f

a

a

Keywords

hydrogel

drug release

feedback contro

anticoagulation

hemocompatibil

Fig. 2:

Cumulative hepa

release from a se

coagulation facto

responsive starP

heparin hydrogel

crosslinked by di

peptides. Gels we

exposed for three

a solution of the

coagulation facto

35

ol

lity

rin

et of

or-

PEG-

ls

ifferent

ere

e hours to

respective

ors.

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Biolund

36

logie- Mate

-insperial

thrombin F1+of the plasmheparin conc(Fig. 3 A). Hydegradation kallikrein-resuppressed tstandard thr(p < 0.05), whydrogel exhThe hydrogeupstream coanticoagulanthrombin resof the releasthe kallikreingood thrombby the high obe attributedhydrogel to teffect of hepFXa responsthe heparin rbut producedApparently, hresponsive hactivated coaanticoagulanAs a valuablemay allow fuheparin expohydrogel sholonger lastinpeptide-croscoagulation eheparin-reledifferent stagmaximizing tminimizing theparin. Thepotentialitiescoagulation-

piriergesta

+2 fragment, aatic coagulati

centrations weydrogels with aby thrombin (

esponsive hydrthe coagulatio

rombin-responwhereas the slhibited less anl, which respo

oagulation factnt capacity as sponsive hydrsed heparin (Fn-responsive boprotective coverall heparind to the high sthe protease aarin on kallikive hydrogel srelease of thed a similar anheparin releas

hydrogels triggagulation factnt effects at loe advantage fo

urther minimizosure. At the sows slower cong activity. In ssslinkers cleavenzymes allow

easing hydrogges of the coathe anticoaguhe required a

ese findings fus of the introd-activated anti

rte Galtun

a quantitative on and the reere determineaccelerated (Thr-fast) androgel (Kal-reson better thannsive hydrogelow degradingnticoagulant aonds to the mtor FXa had ththe reference

rogel. QuantifiFig. 3 B) indica

hydrogel obtaharacteristicsn release, wh

sensitivity of thand a low regurein. In contrashowed only 6e reference hyticoagulant efse from bio-gered by earlior (FXa) afford

ower heparin lor applicationzation of the psame time, thonsumption ansum, choosingved by differews for customels to respond

agulation casclant effect anmount of rele

urther extend uced class of icoagulant ma

renzng

marker eleased ed

sp) n the el g ctivity. ore he same e cation

ates that ained its s mainly ich can he ulating ast, the 60 % of ydrogel ffect.

ier ds levels. , this

patient’s is

nd, thus, g nt

mizing d to cade for d for

eased the

aterials.

Fi

(A

in

w

[1

[2

[3

fläch

ig. 3:

A) Blood coagulat

ncubation of vario

with whole blood.

1] M.F. MaitzM. FischerCommun.

2] M. Maitz, UBeyrich, CPolymerfoJahresber

3] C. SperlingWerner: B4456

hen-

tion and (B) hepar

ous coagulation re

z, U. Freudenbr, T. Beyrich, C2013. p. 2168

U. FreudenbeC. Werner: Leiorschung Dresricht (2011), 32g, M. Fischer,

Biomaterials 3

rin release obser

esponsive hydrog

berg, M.V. TsuC. Werner: Na

rg, M. Tsurkabniz-Institut fsden e.V.

2-33 M.F. Maitz, C

30 (2009), 4447

rved at

gels

urkan, ature

n, T. für

C. 7-

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Biolund

Biomoleculdetected bysurface pla Ralf ZimmeCarsten We Materials mextracelluladecisions arengineeringcontaining gparticularlythe effectiverelease of nGrowth factattributed tomolecules aelectrostatisulfate groucharged provariations ofrom the binreflected in hydrogels, adetection ofAiming at nodetection ofGAG-based electrokinecand surfacemeasurememodel protehydrogels cshaped polyheparin [5]. exhibits a sifactors and physiologicamaterial wesurfaces. Thnegatively csulfate and The excess (as determimeasuremerecently devThe heparindegree of thsimilar to thhydrogel mato heparin inmeasureme

logie- Mate

lar interactiony electrokinetsmon resona

rmann, Susanrner

mimicking the ar matrices tore instrumentg [1,2]. Biohybrglycosaminogy promising foe binding, pronumerous groor binding to o the sulfationand is, thus, lac interactions

ups along the otein domainsf the system n

nding of growtthe electroki

allowing for thf growth factoovel electrokif biomoleculahydrogel matctic (streamin

e plasmon resents [4] to anaein lysozyme wonsisting of c

y(ethylene glyLysozyme wa

ize similar to a positive exc

al pH values. Tere immobilizehe films were charged due tocarboxylic acconductivity oned by the eleents) was anaveloped meann concentratiohe hydrogel filhe values for caterials [5]. Thn the hydrogeent of the exce

-insperial

ns in hydrogetic measuremnce

nne Bartsch,

exogenous si control cell f

tal for tissue rid hydrogels lycans (GAGs)r that purposetection and suwth factors [3GAGs can be n pattern of thargely determs between ioniGAGs and opp

s. Accordinglynet charge resth factors mignetic fingerprhe electrokiner binding. netic sensorsr interactionsterials we emng potential/cuonance (SPR)

alyze the bindiwithin biohybrovalently linkcol) (starPEG)

as selected asrelevant grow

cess charge atThin films of ted on transdushown to be

o the ionizatioid groups of h

of the hydrogeectrokinetic lyzed applying

n-field-approaon and the crolms were founcomparable bhe binding of

el was analyzeess conductivi

piriergesta

els ments and

gnals of ate

) are e due to ustained 3].

hese mined by

ized positely , sulting ght be rint of etic

s for the within ployed urrent) ) ing of the rid ed star-) and

s it wth t the gel

ucer

on of the heparin. el films

g a ach [6]. osslinking nd to be ulk lysozyme

ed by ity after

ictbfpccnewrhebgOaafumpc

F

E

(

a

i

r

t

f

rte Galtun

incubating theconcentrationtaking into accby SPR. The efilms significaprotein conceconcentrationcan be attribunumber of moelectrostatic bwas further shreleased fromhydrogel filmselectrolyte sobinding procegel films in seOngoing studiand release oaffinity and sizfilms prepareusing partiallymore, the minprinciple and chip system w

Fig. 1:

Excess conductiv

(ratio starPEG/he

after incubation w

incubation with 10

regenerated usin

the molecular str

formation and pro

renzng

e films with prns between 0.1count the bindxcess conduc

antly decreasentration withi

n range (Fig. 1)uted to the decobile counter ibinding of lysohown that lyso

m the heparin s with highly clutions. The rss allows for

ensoric applices aim at expf growth factoze to starPEGd at different y desulfated hniaturization oits integration

will be investig

ity of a starPEG-h

eparin = 3) in 1 mM

with different am

00 mg/mL lysozy

ng a 1 M NaCl solu

ructure of the gel

operties see [5].

fläch

rotein solution1 and 100 mg/mding kinetics sctivity of the hyed with increan the studied ). The latter efcrease of the ions in the geozyme to hepaozyme can beby incubating concentrated eversibility ofreuse of the hations. loring the bin

ors of differen-heparin hydrmolar ratios a

heparin. Furthof the measurn into a lab-ongated.

heparin hydrogel

M KCl solution be

ounts of lysozym

yme the gel film w

ution. The inset ill

l. For details on g

hen-

ns of mL studied ydrogel

asing

ffect

l by the arin. It the

the hydro-

ding nt rogel and

her-ing n-a-

l film

efore and

me. After

was

lustrates

gel

S

Keywords

biohybrid hydro

growth factor

electrokinetics

excess conducti

biosensor

SPR

37

ogel

ivity

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Biologie-inspirierte Grenzflächen- und Materialgestaltung

38

Sponsor: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst, Förderkennzeichen 4-7531.50-03-843-12/1 Teil II Cooperation: Dr. Juliane Posseckardt, Prof. Dr. Michael Mertig, Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e.V. Meinsberg [1] M. P. Lutolf, J. A. Hubbell: Nat. Biotechnol.

23 (2005) 47-55 [2] J. J. Rice, M. M. Martino, L. De Laporte, F.

Tortelli, P. S. Briquez, J. A. Hubbell: Adv. Healthcare Mater. 2 (2013) 57-71

[3] I. Capila, R. J. Linhardt: Angew. Chem. Int. Ed. 41 (2002) 391-412

[4] J. Posseckardt, R. Zimmermann, C. Werner, M. Mertig: Proceedings zum 11. Dresdner Sensor-Symposium (2013) 351-354, DOI: 10.5162/11dss2013/F11

[5] U. Freudenberg, J.-U. Sommer, K. R. Levental, P. B. Welzel, A. Zieris, K. Chwalek, K. Scheider, S. Prokoph, M. Prewitz, R. Dockhorn, C. Werner: Adv. Funct. Mater. 22 (2012) 1391-1398

[6] R. Zimmermann, S. Bartsch, U. Freudenberg, C. Werner: Analytical Chemistry 84 (2012) 9592-9595

Culture of human hematopoietic stem cells on decellularized cell-derived matrices Marina Prewitz, F. Philipp Seib, Malte von Bonin, Jens Friedrichs, Aline Stißel, Martin Bornhäuser, Carsten Werner The therapeutic potential of human bone marrow mesenchymal and hematopoietic stem and progenitor cells (MSC and HSPC, respectively) offers great promise for their use in regenerative medicine. A key regulator of these cells is their extracellular matrix micro-environment. However, a major obstacle in defining the exact role of extracellular matrices (ECM) is the lack of suitable methods that recapitulate complex ECM microenviron-ments in vitro. Our current work therefore concerned a methodology for the reliable anchorage of decellularized extracellular matrices generated from cultured bone marrow MSC to mimic the bone marrow stem cell microenvironment. Cell-secreted ECM was immobilized to culture carriers via maleic anhydride copolymer layers used for covalent binding of fibronectin to the culture carrier surface. Fibronectin was selected for its properties to interact with cell-secreted extracellular matrix proteins, so that culture and decellularization of a cell monolayer on top yields in a superior anchorage of cell-secreted ECM with the opportunity to study the decellularized extracellular phenotype of various cell-derived matrices. The ECM preparations were thoroughly characterized to identify their molecular composition, supra-structural features and nano-mechanical properties. The obtained MSC-derived ECM substrates served as in vitro culture environments for human HSPC, resulting in a significant increase in proliferation of these cells over a culture period of 7 days, with up to 3-fold expansion of CD34+ cells on MSC-derived matrices without exhaustion of CD34/CD133 double positive cells, and with the potential for long-term (20 weeks) engraftment into NSG (NOD/SCID/IL2 receptor {gamma} chain (null)) mice. Taken together, we demonstrated the unique ability of cell-derived ECM scaffolds to support expansion and differentiation of bone marrow stem cells in vitro.

Keywords

extracellular matrix

mesenchymal stem cells

haematopoietic stem

cells

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Biolund

Beyond thatenables declike multicosources offedepth analyexogenous c

Fig. 1:

Human haema

extracellular m

marrow mesen

Sponsor: Deutsche FoCollaborate CooperationProf. Dr. M.Universitäts [1] M. Prew

FriedricK. AnasM. BornMethod

logie- Mate

t, the establisciphering and omponent ECMering exciting

ysis of stem cecues.

topoietic stem ce

matrix that was d

nchymal stem cel

orschungsgem Research Ce

n: Bornhaeuser

sklinikum Dre

witz, P. F. Seibchs, A. Stißel,stassiadis, C. Wnhäuser, C. Wds, 10(8), 788-7

-insperial

hed methodolmodulating n

Ms from variouoptions for th

ell regulation

ells in contact wit

eposited by huma

lls in vitro.

meinschaft, ntre SFB 655

r, esden

b, M. von Bon C. Niehage, KWaskow, B. H

Werner: Nature794

piriergesta

logy native-us cell he in-by

h the

an bone

in, J. K. Müller,

Hoflack, e

Mm

MSKa

Pi(lno[ptsppfsgpwnimotpczrmaeuhScmctAucfwcfhd

rte Galtun

Multifaceted, matrices to in

Mikhail V. TsuSilvana ProkoKandice R. Leand Carsten W

Polymer matrindependent c(biodegradatioligands and sonetwork paramof particular i[1]. Fast self-apresence of cetissue is crucistimulation ofproperties in vprinciples havforming matesuch as poly(eglycosaminogpreviously repwith respect tnetwork charaincorporating molecules. Toorthogonal syto produce anpeptide- and gconjugates (Fzation of starPresulted in PEmultiple functadhesion liganenzymaticallyunits, allowinghydrophobic sSIKVAV. The Gconverted to cmaleimide groclick reaction the above-meA multistep puultra-high purconjugates wifunctionality awith RGD peptconjugation offactor (VEGF).heparin-maledefined 3D-ne

renzng

in situ forminnduce cell mo

urkan, Karolinoph, Andrea Zievental, Uwe FWerner

rices allowingcontrol over mon, presentatioluble effectometers (meshnterest in curassembly of sells or upon inial for the thref cells by wellvitro or in vivove been explorrials from syn

ethylene glycolycans (GAGs

ported approao the control acteristics anhydrophobic

o overcome thnthesis strated characterizglycosaminogig. 1) [3]. StepwPEG with seveEG-peptide cotionalities, incnds (RGD, SIK

y (MMP) cleavag for the implsignaling peptGAG building bcontain differeoups to allow to form polym

entioned PEG-urification tecrity >99.5 % hth preserved

as demonstrattides and by tf vascular end. Reacting PEGimide-(peptid

etworks were

fläch

ng polymer orphogenesis

na Chwalek ,ieris, Freudenberg,

for the precismultiple biocheion of adhesiors) and physic

h size, stiffnesrrent bioenginuch matrices njection into aee-dimension-defined mate

o. Several desred to create nthetic polymeol), peptides a) [2]. However

aches were limover the polymd did not allowsignaling ese limitation

egy was devele a set of PEGlycan-peptidewise function

eral peptides njugates disp

cluding differeKVAV) and able cross-linementation ofides such as

block (heparinent quantities for subseque

mer networks peptide conju

chnique resultheparin-malebiological ted by the reahe non-covaledothelial growG-peptide and

de) conjugatesobtained with

hen-

se and emical

on cal ss) are neering

in a target al

erial-ign in situ ers nd r, mited mer w for

ns, an oped

G-e ali-

laying ent cell

king f

n) was of nt with

ugates. ted in

eimide

action ent

wth d s well h

Keywords

hydrogel

biomaterials

growth factors

cell adhesive pe

39

eptides

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Biolund

40

Fig. 1:

Synthetic sche

formation of

multifunctiona

forming starPE

hydrogels (� =

of StarPEG/hep

Fig. 2:

(A) Cell elonga

ratio, 1 corresp

round cell, > 1

ponds to an elo

morphology) in

is regulated by

linking density

ratio of StarPE

0.63 vs. γ = 1) a

biomolecular m

of the hydroge

MMP-peptide,

(B) SIKVAV pep

promotes EC m

genesis and ne

outgrowth from

chicken dorsal

ganglia, ± SD.

logie- Mate

me for the

al in situ

EG-heparin

molar ratio

parin)

ation (aspect

ponds to

1 corres-

ongated

n hydrogels

y cross-

y γ (molar

EG/heparin =

and the

modification

ls ( ± RGD, ±

± VEGF),

ptide

morpho-

eurite

m the

l root

-insperial

independentenzymatic dedomain peptbiological funcell-instructdemonstrateprimary humchicken dors(Fig. 2). The establishconcluded todeciphering exogenous s

piriergesta

ly tunable celegradability aide conjugatenctions and thive hydrogel m

ed to be suitabman vascular esal root gangli

hed biohybrido be highly prothe response ignals in vitro

rte Galtun

ll adhesivenesnd elasticity. Ms combining d

heir assemblymaterials werble for triggerendothelial ceia in 3D cultur

matrix systemomising for of cells to com

o and in vivo.

renzng

ss, Multi-different y into re ring ells and res

m is

mplex

[1

[2

[3

fläch

1] M. Lutolf, 2005, 23, 4

2] (a) M. P. Lmolecules(b) A. Mettmolecules(c) M. Ehrbmakers, BWeber, M.2007, 8, 30(d) S. J. BrMater. Res(e) M. KimRevzin, G. (f) T. Nie, AKiick: J. C

3] M. TsurkaZieris, K. LWerner: A

hen-

J. Hubbell: N47-55

Lutolf, J. A. Hus 2003, 4, 713; ters, J. A. Hubs 2005, 6, 290;bar, S. C. Rizz

B. San Miguel, P. Lutolf: Bio

000; ryant, K. S. Ans. 2002, 59, 63

m, J. Y. Lee, C. Tae, Biomate

A. Baldwin, Nont. Rel. 2007n, K. ChwalekLevental, U. F

Adv. Mater., 20

at. Biotechno

ubbell: Biomac

bbell: Biomacr; i, R. G. Schoe J. A. Hubbell

omacromolec

nseth: J. Biom3; N. Jones, A.

erials 2010, 31,. Yamaguchi,

7, 122, 287 k, S. Prokoph, reudenberg, C

013, 25, 2606-2

l.

cro-

ro-

n-l, F. E. ules

med.

, 3596; K. L.

A. C. 2610

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Biolund

Cryogel micforce micro Jens FriedrMilauscha GUwe Freude Polymeric mbeing develoanalogues oengineeringobtained by mixture of pzero temperformed: ice microphaseconcentratecryogel formremoved leawith intercoCompared tpores, the inin the non-fresults in deding the macryoconcentconcentratiolike cryogelhigher localbulk hydrogsame reactiHowever, thmentally, yeapplied an ananoindentamechanicalaminoglyca[1,2]. The ansections of tallows for varchitecturemicroscopy positioning struts of opmechanicalthose of reffrom the satemperaturthat cryoconstiffness of AFM-based stress-straifurthermore

logie- Mate

cromechanicsoscopy-based

ichs, Petra B.Grimmer, Stefenberg, Carste

macroporous oped as threeof the extraceg applications

cooling an aqpolymeric gel ratures. Therecrystals and

e. The gel preced in the liquidmation, the iceading to spongonnected maco bulk hydrogncreased precfrozen liquid menser polyme

acropores, whtration effect.on effect, the s can be assul stiffness tha

gel materials oion mixture at

his was not deet. Therefore, atomic force mation method properties ofn-poly(ethylen

nalytical approthe swollen cisualizing the e during nano(Fig. 1 A). Thiof the AFM tipen pores (Fig. properties oference bulk hme reaction me directly provncentration efthe cryogel ponanoindentat

in compressioe provides val

-insperial

s unraveled by nanoindenta

Welzel, ffen Vogler, en Werner

cryogel scaffoe-dimensionalllular matrix f. Cryogels are

queous reactioprecursors toeby, two phasa non-frozen cursors are d microphasee crystals cange-like structropores (Fig.

gels without mcursor-concemicrophase ofr networks suich is designa Due to the crstruts of the s

umed to exhibn the correspobtained fromt room tempemonstrated ewe developed

microscopy-bato quantify th

f biohybrid glyne glycol) cryooach uses veryryogels and thcryogel microindentation bys enables thep directly over. 1 B). Comparf cryogel struthydrogels obtamixtures at roves, for the firffects result inore walls. Comtion with uniaxon experimentluable insights

piriergesta

y atomic tion

olds are l for tissue e on o sub-ses are liquid

. After be ures 1 A).

macro-ntration f cryogels urround-ated as ryo-sponge-it a

ponding m the

rature. experi-d and ased e local

ycos-ogels y thin hus o-y light exact

r the rison of ts with ained oom rst time, n higher mbining xial ts s about

tifmi

SB(D

CDC

[

[

rte Galtun

the effect of cintegral and lofor a far-goingmatch a particinduce a desir

Sponsors: Bundesminist(BMWA)/AiF Deutsche Fors

Cooperation:Dr. P. Joly, DrCharite Unive

[1] P. B. WelL. NaujoxWerner: B2358 (201

[2] P. Joly, GWelzel, UPetersen

renzng

ryogelation paocal scaffold mg customizatiocular tissue ered cellular re

terium für Wir

schungsgeme

r. A. Petersenrsitätsmedizin

zel, M. Grimmx, S. ZschocheBiomacromol2) . N. Duda, M.

U. Freudenber: PLoS ONE 8

fläch

arameters onmechanics allon of the cryolasticity and t

esponse.

rtschaft und A

einschaft

, Prof. Dr. G. Dn Berlin

mer, C. Rennebe, U. Freudenbecules 13, 234

Schoene, P. Brg, C. Werner, , e73545 (2013

hen-

lowing gels to o

Arbeit

Duda,

berg, berg, C. 49-

B. A.

3)

A

s

W

a

t

s

t

f

t

t

a

a

f

S

t

Keywords

cryogel

AFM

Nanoindentation

Fig. 1:

(A) Confocal micr

image of the spon

microstructure o

swollen cryogel s

Green: cryogel st

White: PBS filled

connected pores.

indicate where A

nanoindentation

performed.

(B) Schematic rep

ation of the AFM-

dentation measu

principle. The tip

cantilever is brou

contact with a cry

covered with PBS

their local mecha

properties in the

state. The applie

induces a deform

the tested mater

proportional to th

force and the stif

the tested region

the nanoindentat

experiments the

exerted on the ca

as well as cantile

movement are re

and can be plotte

force-distance cu

Shading represe

regimes before a

contact. From the

distance curve th

nical properties o

tested material c

extracted.

41

n

roscopy

nge like

of the PBS

scaffold.

truts.

d inter-

. Arrows

AFM-based

was

present-

-nanoin-

rement

p of an AFM

ught into

yogel strut

S to probe

anical

swollen

d stress

mation of

ial

he applied

ffness of

n. During

tion

force

antilever

ever

ecorded

ed as a

urve (C).

nts

and after

e force-

he mecha-

of the

can be

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Biolund

42

Keywords

electrophores

electric field

molecular dyn

simulations

confinement

Fig. 1:

Schematic des

type, direction

external electr

corresponding

(in cross-sectio

logie- Mate

sis

namics

piction of the

of applied

ric field, and

g geometry

on).

-insperial

Electrophorepolymers in Sorin Nedelc Taking as anelectrolyte Dthe sequenceis. To read thinto smaller multiple timelater reassemin free solutiwith the sam(except for veoligomer ranseparate the In a first set work has beeelectrolyte cthese simula(parallel to telectric field

The transveratmosphere the net chargcondensed cobserved to resulting in sseparation. Aconsidered stapered constime-constandirection, thecavity into th

A

B2e

piriergesta

etic transport cylindrical ge

cu, Jens-Uwe

n example the DNA, it is impoe of the base he full sequenfragments whes to find overmbled togetheion long charg

me velocity irreery short fragnge), which mem in laborato

of simulationen on electrophains in slit g

ations, we usehe walls) and s (Fig. 1, top).

rse field led toaround the po

ge of the chaiounterions. Lmove faster thselective elecA second set ostraight cylindstrictions [2] (nt applied fiele chain escape next could b

exp A2 4B

rte Galtun

t of charged eometries

Sommer

model poly-ortant to knowpairs in a DNA

nce it is typicahich are sequrlapping regioer. In an electged polymers espective of thgments in the akes it difficu

ory setups.

s, the focus ophoresis of poeometries [1].

ed longitudinatransverse ap

o an asymmetolyion and mon by the numb

Longer polyionhan shorter otrophoretic of simulationsder geometrieFig. 1, bottom

ld in the axial e time from obe written as f

(EqB

renzng

w what A strand lly split enced

ons, and tric field, move

heir size

lt to

f our oly-. In l pplied

ric ion odified ber of ns were nes

s s with ). In a

one follows

q. 1)

waac

TFcthapcyswpfiF

Fi

In

m

al

th

di

co

cy

m

fie

re

It(mvacsu

fläch

where the conspplied electrind characteriompression-e

wo conclusionFirst, if the lononstant (no chhe array of core more effecolymers than ylinders. The eparation effi

when the conseriodically (orelds). These f

Fig. 2.

ig. 2:

n a set time interv

may move a certai

lways the same, o

heir positions. Th

istances z for two

onstant (noted cy

ylinders under co

modulated cylinde

elds of relative st

eported in Lennar

t indicates thameasured as talues) is obtaonstant applieeparation taknder pulsed e

hen-

stants A and Bc field, polyelestic dimensio

expansion cha

ns of our workgitudinal app

hange in direcmpression-ex

ctive in separastraight unifosecond conclciency increastant field is swr otherwise infindings are su

val, charged chain

n distance z. If th

one can identify t

e bar diagram ab

o chains of length

yl.) and variable d

onstant applied fi

ers (noted mod.) u

trength Eeff (= E|

rd-Jonnes units.

at the best septhe differenceined in tapereed fields, whiles place in ta

electric fields.

B depend on tectrolyte lengns of the

ambers [2].

k are importalied field is kection or value)xpansion chamating charged orm diameterusion is that tses even furthwitched on an pulsed applieummarized in

ns of different len

he elution order is

he chains by obse

bove compares th

h N=150 and N=70

diameter (noted m

elds E||, and simi

under applied pul

| /3). The quantiti

paration resole between theed cylinders inle the fastest pered constri.

he gth,

nt. ept ), then mbers

r the her d off ed n

ngth

s

erving

he

0 in

mod.)

lar in

lse

ies are

lution z-

n

ctions

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Biologie-inspirierte Grenzflächen- und Materialgestaltung

43

Lastly, we studied were straight cylinders with wavy surfaces [3]. Here, one could explicitly measure the fluid flow inside and outside the polyelectrolyte coils, and electrolyte friction. The ultimate goal of such complex computer experiments is to find a way of individually controlling the dynamics of charged chains, by smart choices of the type of environment, properties of the buffer solution, and applied electric fields. Sponsor: Deutsche Forschungsgemeinschaft SO 277/4-1 [1] S. Nedelcu,J.-U. Sommer: J. Chem. Phys.

133, (2010), 244902 [2] S. Nedelcu,J.-U. Sommer: J. Chem. Phys.

138, (2013), 104905 [3] S. Nedelcu,J.-U. Sommer: Materials 6(7),

(2013), 3007-3021