Zelldifferenzierung bezeichnet den Prozess, durch den undifferenzierte Zellen, insbesondere Stamm- oder Vorläuferzellen, stabile phänotypische und funktionelle Eigenschaften spezialisierter Zelltypen ausbilden. In den Materialwissenschaften steht dabei die gezielte Steuerung der Differenzierung durch biomimetische oder bioaktive Materialien im Vordergrund.

Mechanische, chemische und topographische Eigenschaften eines Werkstoffs wirken als biophysikalische und biochemische Cues, die Signalwege der Zelle modulieren (z.B. Integrin-vermittelte Adhäsion, FAK–MAPK, Wnt, YAP/TAZ). So beeinflussen Steifigkeit, Rauigkeit, Oberflächenenergie sowie die Dichte funktionaler Gruppen oder gebundener Wachstumsfaktoren die Transkriptionsprogramme, die eine osteogene, chondrogene oder neuronale Differenzierung auslösen.

Die osteogene Differenzierung mesenchymaler Stammzellen wird etwa durch steife, anorganische oder hybrid-organische Gerüste (z.B. calciumphosphathaltige oder glasbasierte Biokeramiken) gefördert, wohingegen weichere, hochwasserhaltige Hydrogele eher eine adipogene oder neuronale Linie begünstigen können. Die neuronale Differenzierung reagiert besonders sensitiv auf Nanotopographie, Leitfähigkeit (z.B. leitfähige Polymere, Kohlenstoff-Nanomaterialien) und definierte Gradienten von Wachstumsfaktoren.

Für die Stammzelldifferenzierung spielen zusätzlich dynamische Aspekte eine zentrale Rolle: zeitlich veränderliche Steifigkeit (z.B. degradierbare Netzwerke), kontrollierte Freisetzung von Signalmolekülen sowie mechanische Stimulation (Kompression, Scherung). Moderne Werkstoffkonzepte kombinieren daher mehrskalige Strukturierung mit kontrollierter Biofunktionalisierung, um Differenzierungsverläufe räumlich und zeitlich präzise zu lenken.

Insgesamt ist die Differenzierung in biomaterialgestützten Systemen ein integraler Bestandteil der Entwicklung von Implantaten, Tissue-Engineering-Konstrukten und in vitro Modellen, wobei eine enge Kopplung von Werkstoffdesign, Zellbiologie und quantitativem Modellieren erforderlich ist.