Biomedical Engineering and Bioengineering Commons^™

Pet Imaging Of Early Therapeutic Response In Solid Tumors, Stephanie J. Blocker

Wayne State University Dissertations

An important pillar of precision medicine for oncology is the ability to identify patients who respond to treatment early into their therapy. Positron emission tomography (PET) allows physicians and researchers to measure changes in tumor behavior prior to noticeable differences in morphology.

Objective: Determine the utility of multiple tracers for PET in assessing early changes in tumor activity that result from treatment.

Methods: Two tracers for PET were studied. 64Cu-labeled liposomes were used to assess changes in liposome delivery two solid colon tumors early into treatment with bevacizumab (Bev). 18F-FMAU thymidine analog (1-(2'-deoxy-2'-fluoro-beta-D-arabinofuranosyl)thymine), was utilized to detect early response to …

Biom 4110/6110: The Science Of Medicine (Syllabus), Bradford D. Pendley

Biomedical Engineering Syllabi Archive

Course Description: Integration of fundamental principles from physics, chemistry, biology and mathematics, and applications of these principles to solve problems in medicine.

Biom 3110: Medical Physiology (Syllabus), Bradford D. Pendley

Biomedical Engineering Syllabi Archive

Course Description: Basic principles of human physiology and how these are applied in medicine and biomedical engineering problem and devices; physiological principles using appropriate mathematical and engineering models to construct an understanding of how the body works as an integrated system.

A Computational Study Of Vegf Production By Patterned Retinal Epithelial Cell Colonies As A Model For Neovascular Macular Degeneration, Qanita Bani Baker, Gregory J. Podgorski, Elizabeth Vargis, Nicholas Flann

Biology Faculty Publications

Background: The configuration of necrotic areas within the retinal pigmented epithelium is an important element in the progression of age-related macular degeneration (AMD). In the exudative (wet) and non-exudative (dry) forms of the disease, retinal pigment epithelial (RPE) cells respond to adjacent atrophied regions by secreting vascular endothelial growth factor (VEGF) that in turn recruits new blood vessels which lead to a further reduction in retinal function and vision. In vitro models exist for studying VEGF expression in wet AMD (Vargis et al., Biomaterials 35(13):3999–4004, 2014), but are limited in the patterns of necrotic and intact RPE epithelium they can …

Biomanufacturing Through Igem-An International Student Competition, Asif Rahman, Ryan J. Putman, Neal Hengge, Charles D. Miller

Biological Engineering Faculty Publications

The foundations of synthetic biology are built on molecular biology and genetic engineering. One of the purposes of synthetic biology is to make biology easier to engineer by the creation of standardized biological parts and devices. There are a wide range of potential applications for synthetic biology and a variety of approaches to constructing parts and systems. Undergraduate Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) students from around the world apply synthetic biology principles at the annual International Genetically Engineered Machine (iGEM) competition to demonstrate functioning biological systems created from standardized parts. The iGEM competition will continue to add to the …

Qualitative Analysis Of Microbial Dynamics During Anaerobic Digestion Of Microalgal Biomass In A Uasb Reactor, Anna Doloman, Yousef Soboh, Andrew J. Walters, Ronald C. Sims, Charles D. Miller

Biological Engineering Faculty Publications

Anaerobic digestion (AD) is a microbiologically coordinated process with dynamic relationships between bacterial players. Current understanding of dynamic changes in the bacterial composition during the AD process is incomplete. The objective of this research was to assess changes in bacterial community composition that coordinates with anaerobic codigestion of microalgal biomass cultivated on municipal wastewater. An upflow anaerobic sludge blanket reactor was used to achieve high rates of microalgae decomposition and biogas production. Samples of the sludge were collected throughout AD and extracted DNA was subjected to next-generation sequencing using methanogen mcrA gene specific and universal bacterial primers. Analysis of the …

Fabrication Of Flexible, Biofunctional Architectures From Silk Proteins, Ramendra K. Pal

Theses and Dissertations

Advances in the biomedical field require functional materials and processes that can lead to devices that are biocompatible, and biodegradable while maintaining high performance and mechanical conformability. In this context, a current shift in focus is towards natural polymers as not only the structural but also functional components of such devices. This poses material-specific functionalization and fabrication related questions in the design and fabrication of such systems. Silk protein biopolymers from the silkworm show tremendous promise in this regard due to intrinsic properties: mechanical performance, optical transparency, biocompatibility, biodegradability, processability, and the ability to entrap and stabilize biomolecules. The unique …

Investigation Of Polymeric Composites For Controlled Drug Release, Hsi-Wei Yeh

Theses and Dissertations

The Electrospray (ES) technique is a promising particle generation method for drug delivery due to its capabilities of producing monodisperse PLGA composite particles with unique configurations and high drug encapsulation efficiency. In the dissertation work, the coaxial dual capillary ES was used to generate drug-loaded core-shell PLGA particles to study the effects of particle filling materials, drug loading locations and particle shell thicknesses on the resultant in vitro release behaviors of the hydrophilic and/ or hydrophobic model drugs. Through release profile characterization of drug-loaded PLGA particles (particle size: 400 nm and 1 μm), it was confirmed that the co-encapsulation of …

Pore-Confined Carriers And Biomolecules In Mesoporous Silica For Biomimetic Separation And Targeting, Shanshan Zhou

Theses and Dissertations--Chemical and Materials Engineering

Selectively permeable biological membranes composed of lipophilic barriers inspire the design of biomimetic carrier-mediated membranes for aqueous solute separation. This work imparts selective permeability to lipid-filled pores of silica thin film composite membranes using carrier molecules that reside in the lipophilic self-assemblies. The lipids confined inside the pores of silica are proven to be a more effective barrier than bilayers formed on the porous surface through vesicle fusion, which is critical for quantifying the function of an immobilized carrier. The ability of a lipophilic carrier embedded in the lipid bilayer to reversibly bind the target solute and transport it through …

A Comprehensive Analysis On Eeg Signal Classification Using Advanced Computational Analysis, Kaushik Bhimraj

College of Graduate Studies: Theses & Dissertations

Electroencephalogram (EEG) has been used in a wide array of applications to study mental disorders. Due to its non-invasive and low-cost features, EEG has become a viable instrument in Brain-Computer Interfaces (BCI). These BCI systems integrate user's neural features with robotic machines to perform tasks. However, due to EEG signals being highly dynamic in nature, BCI systems are still unstable and prone to unanticipated noise interference. An important application of this technology is to help facilitate the lives of the tetraplegic through assimilating human brain impulses and converting them into mechanical motion. However, BCI systems are remarkably challenging to implement …

Segmental Movement Compensations In Patients With Transtibial Amputation Identified Using Angular Momentum Separation, Brecca M. M. Gaffney

Electronic Theses and Dissertations

Patients with unilateral dysvascular transtibial amputation (TTA) adopt movement compensations that are required to maintain balance and achieve ambulation in the absence of ankle plantar flexion, and result in increased and asymmetric joint loading patterns. As a result, this population is at an increased risk of overuse injuries, such as low back pain (LBP). Clinical gait analysis is used to guide diagnostics in movement retraining following amputation, and is performed using instrumented (research based) or observational analyses (clinically based). However, instrumented analyses are currently impractical in most clinical settings due to expense and computational limitations. This dissertation presents the use …

An Enhanced Spring-Particle Model For Red Blood Cell Structural Mechanics: Application To The Stomatocyte–Discocyte– Echinocyte Transformation, Mingzhu Chen, Fergal Boyle

Articles

Red blood cells (RBCs) are the most abundant cellular element suspended in blood. Together with the usual biconcave-shaped RBCs, i.e., discocytes, unusual-shaped RBCs are also observed under physiological and experimental conditions, e.g., stomatocytes and echinocytes. Stomatocytes and echinocytes are formed from discocytes and in addition can revert back to being discocytes; this shape change is known as the stomatocyte–discocyte–echinocyte (SDE) transformation. To-date, limited research has been conducted on the numerical prediction of the full SDE transformation. Spring- particle RBC (SP-RBC) models are commonly used to numerically predict RBC mechanics and rheology. However, these models are incapable of predicting the full …

Far-Field Optical Microscopy Based On Stimulated Emission Depletion, Yunxia Wang

Theses and Dissertations

Conventional lens-based (far-field) fluorescence microscopy is a widely used imaging technique with spatial resolution up to 150–350 nm. However, this technology cannot discern very small structural features, because the spatial resolution is limited by diffraction to about half of the wavelength of light (λ/2，λ is the wavelength of light). Hence, most of the developments in microscopy aim at improving resolution. In the past decades, stimulated emission depletion (STED) microscopy has been developed to bypass the diffraction limit for the application in biological imaging with resolution approaching the nanoscale. The basic principle of STED microscopy is to employ a doughnut-shape laser …

Evaluating Outer Segment Length As A Surrogate Measure Of Peak Foveal Cone Density, Melissa A. Wilk, Brandon M. Wilk, Christopher S. Langlo, Robert F. Cooper, Joseph Carroll

Biomedical Engineering Faculty Research and Publications

Adaptive optics (AO) imaging tools enable direct visualization of the cone photoreceptor mosaic, which facilitates quantitative measurements such as cone density. However, in many individuals, low image quality or excessive eye movements precludes making such measures. As foveal cone specialization is associated with both increased density and outer segment (OS) elongation, we sought to examine whether OS length could be used as a surrogate measure of foveal cone density. The retinas of 43 subjects (23 normal and 20 albinism; aged 6–67 years) were examined. Peak foveal cone density was measured using confocal adaptive optics scanning light ophthalmoscopy (AOSLO), and OS …

Effects Of Curcumin-Loaded Bacterial Cellulose Films On Cancer Cells, Chayut Subtaweesin

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

In this study, a curcumin-loaded bacterial cellulose films were developed. Bacterial cellulose films were prepared by culturing Gluconacetobacter xylinus in coconut water-based medium. Curcumin, an active substance found in turmeric (Curcuma longa Linn), was then absorbed into never-dried bacterial cellulose pellicles by immersion in 0.5 and 1.0 mg/ml curcumin solutions, with absolute ethanol as solvent, for 24 hours. The curcumin-loaded bacterial cellulose pellicles were then air-dried. Controlled release of curcumin was achieved in buffer solutions containing Tween 80 and methanol additives, at pH 5.5 and 7.4. Curcumin-loaded bacterial cellulose films prepared with curcumin solutions at concentrations of 0.5 and 1.0 …

Metal Artifact Reduction In Computed Tomography At Head And Neck Region, Sornjarod Oonsiri

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

The common streak artifacts in computed tomographic images result from the metal implant in patients. Such the artifacts could suppress proper diagnosis or misdiagnosis in computed tomographic images. The purpose of this study is to develop the method for metal artifact reduction using MATLAB software and implement in both phantom and patients for head and neck computed tomographic imaging. The new algorithm of metal artifact reduction in computed tomographic images had been developed using MATLAB software. The homogeneous phantom, Alderson Rando phantom, and patients with a metal implant in the head and neck region had been scanned by Philips Brilliance …

อิทธิพลของสารลดแรงตึงผิวชนิดประจุลบต่อการเกิดเจลของไฟโบรอินไหมไทยและการประยุกต์ใช้ในการควบคุมการปลดปล่อยเคอร์คูมิน, ณัฐกานต์ จันทร์ทอง

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ในการพัฒนาไฮโดรเจลไฟโบรอินไหมไทย (SF) ที่ถูกกระตุ้นด้วยการเติมสารลดแรงตึงผิวประเภทประจุลบชนิดต่างๆ เพื่อประยุกต์ใช้ในการควบคุมการปลดปล่อยเคอร์คูมินและใช้เป็นเจลทากระตุ้นการหายของแผล โดยได้ทำการศึกษาอิทธิพลของสารลดแรงตึงผิวประเภทประจุลบชนิดต่างๆ ได้แก่ sodium octyl sulfate (SOS), sodium dodecyl sulfate (SDS) และ sodium tetradecyl sulfate (STS) ซึ่งมีสูตรโครงสร้างเคมีคล้ายกัน แต่มีความยาวของสายอัลคิลแตกต่างกัน ต่อพฤติกรรมการเกิดเจลไฟโบรอินไหมไทย พบว่าสารลดแรงตึงผิวประเภทประจุลบทั้ง 3 ชนิด สามารถเร่งการเกิดเจล ณ อุณหภูมิ 37oC, pH 7.4 ได้ในช่วงระยะเวลา 14 นาที ถึง 144 ชั่วโมง ขึ้นกับชนิดและความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิว กลไกการเกิดเจลดังกล่าวเป็นการเกิดร่วมกันระหว่างอันตรกิริยาของส่วนที่ไม่ชอบน้ำ อัตรากิริยาของไฟฟ้าสถิตระหว่างโมเลกุลของไฟโบรอินไหมไทยและโมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวและการเกิดเจลตามธรรมชาติของไฟโบรอินไหมไทยโดยกลไกดังกล่าวจะกระตุ้นการเกิดโครงสร้างทุติยภูมิชนิด β-sheet ซึ่งมีเสถียรภาพและผันกลับไม่ได้ งานวิจัยนี้ พบว่า ไฮโดรเจลไฟโบรอินไหมไทยที่กระตุ้นด้วย STS 0.09% โดยน้ำหนัก มีระยะเวลาการเกิดเจลรวดเร็ว (20 นาที) เจลมีความคงตัวสูง อัตราการย่อยสลายช้า และสามารถปลดปล่อยเคอร์คูมินได้เนิ่นนาน นอกจากนี้ยังไม่เป็นพิษต่อเซลล์ผิวหนังของหนู เมื่อทดสอบในระดับห้องปฏิบัติการตามมาตรฐาน ISO 10993 part 5 และเมื่อทดสอบประสิทธิภาพของไฮโดรเจลในการยับยั้งการอักเสบและกระตุ้นการหายของแผลชนิดสูญเสียทั้งชั้นในหนูทดลองพบว่า ไฮโดรเจลไฟโบรอินไหมไทยที่ไม่บรรจุและบรรจุเคอร์คูมินสามารถยับยั้งการอักเสบของแผลได้ในช่วง 3 วันแรกของการรักษา และเร่งการหายของแผลโดยการกระตุ้นการสร้างเซลล์เยื่อบุผิวได้ดีเทียบเท่ากับแผลกลุ่มที่รักษาด้วยไฟบรินเจล อันเนื่องมาจากไฟโบรอินไหมมีความเข้ากันได้กับเนื้อเยื่อ และมีอัตราการย่อยสลายที่เหมาะสม ส่วนเคอร์คูมินมีฤทธิ์ในการยับยั้งการอักเสบ จึงสรุปได้ว่า ไฮโดรเจลไฟโบรอินไหมไทยนี้มีประสิทธิภาพในการควบคุมการปลดปล่อยเคอร์คูมินและการกระตุ้นการหายของแผล

การพัฒนาอนุภาคทรงกลมขนาดไมครอนสำหรับนำส่งสารสกัดชาเขียวเพื่อรักษาโรคข้อเสื่อม, ปภาวี ลิขิตเดชาโรจน์

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ในการพัฒนาอนุภาคทรงกลมขนาดไมครอนจากเจลาตินเพื่อนำส่งสารสกัดชาเขียว Epigallocatechin 3-gallate (EGCG) ร่วมกับกรดไฮยาลูรอนิคสำหรับรักษาโรคข้อเสื่อม โดยได้ทำการศึกษาเปรียบเทียบสมบัติทางเคมี และกายภาพของเจลาติน 4 ชนิดได้แก่ เจลาตินชนิดเอ (GA) เจลาตินชนิดบี (GB) เจลาตินชนิดเอที่ดัดแปรด้วยเอธิลีนไดเอมีน (GE) และเจลาตินชนิดบีที่ดัดแปรด้วยซัคซินิคแอนไฮไดร์ด (GS) พบว่า GE มีปริมาณหมู่อะมิโนอิสระเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับ GA ซึ่งเป็นเจลาตินตั้งต้นเนื่องมาจากการคอนจูเกตเอธิลีนไดเอมีนเข้าไปในโครงสร้าง และส่งผลมีค่าศักย์เซต้าเป็นบวกมากขึ้นและมีความชอบน้ำสูง ในขณะที่ GS มีปริมาณหมู่อะมิโนอิสระลดลงเมื่อเทียบกับ GB ซึ่งเป็นเจลาตินตั้งต้นเนื่องจากหมู่อะมิโนอิสระถูกใช้ไปในการคอนจูเกตซัคซินิคแอนไฮไดร์ด อย่างไรก็ตาม ผลสเปกตรัมจากการวิเคราะห์ Fourier-transform infrared spectroscopy ยืนยันการปรากฏของหมู่ฟังก์ชั่นที่แสดงคุณลักษณะเฉพาะของโปรตีนในเจลาตินทั้ง 4 ชนิด เจลาตินทั้ง 4 ชนิดถูกนำมาขึ้นรูปเป็นอนุภาคทรงกลมขนาดไมครอนด้วยเทคนิคอิมัลชั่นชนิดน้ำในน้ำมัน และเชื่อมขวางด้วยความร้อน หรือด้วยสารละลายกลูตารัลดีไฮด์ อนุภาคทรงกลมขนาดไมครอนเจลาตินที่ได้มีขนาดอยู่ในช่วง 43-49 ไมครอน ซึ่งมีความเหมาะสมสำหรับนำไปใช้ฉีดผ่านเข็มฉีดยาได้โดยไม่อุดตัน เมื่อเปรียบเทียบวิธีการเชื่อมขวาง พบว่าอนุภาคที่เชื่อมขวางด้วยสารละลายกลูตารัลดีไฮด์มีความคงตัวมากกว่าอนุภาคที่เชื่อมขวางด้วยความร้อนโดยประเมินจากอัตราส่วนการบวมน้ำและการละลายน้ำของอนุภาค อนุภาคทรงกลมขนาดไมครอน GE ที่เชื่อมขวางด้วยสารละลายกลูตารัลดีไฮด์มีร้อยละการเชื่อมขวางสูงที่สุด เนื่องจากมีหมู่อะมิโนอิสระจำนวนมากสำหรับการเกิดปฏิกิริยาเชื่อมขวางกับหมู่อัลดีไฮด์ของกลูตารัลดีไฮด์ และเมื่อทดสอบอัตราการย่อยสลายทางชีวภาพในระดับห้องปฏิบัติการในสภาวะจำลองร่างกายที่ไม่มีและมีเอนไซม์คอลลาจีเนส พบว่าอนุภาคทรงกลมขนาดไมครอน GE มีอัตราการย่อยสลายช้าที่สุด อนุภาคทรงกลมขนาดไมครอนเจลาตินทั้ง 4 ชนิดไม่มีความเป็นพิษต่อเซลล์ผิวหนังของหนูเมื่อทดสอบในระดับห้องปฏิบัติการตามมาตรฐาน ISO 10993 part 5 และเมื่อนำอนุภาคทรงกลมขนาดไมครอนเจลาตินทั้ง 4 ชนิดไปดูดซับสารสกัดชาเขียว EGCG และทดสอบอัตราเร็วในการปลดปล่อยสาร EGCG ในสภาวะจำลองร่างกายที่ไม่มีและมีเอนไซม์คอลลาจีเนส พบว่าอนุภาค GE สามารถปลดปล่อยสาร EGCG ได้อย่างคงที่และเนิ่นนานที่สุดในทั้ง 2 สภาวะ โดยการปลดปล่อยควบคุมด้วยกลไกการแพร่ของสาร EGCG จากอนุภาคเป็นหลัก ในขณะที่อนุภาค GA GB และ GS ปลดปล่อยสาร EGCG ด้วยกลไกการแพร่และการบวมน้ำหรือการย่อยสลายของอนุภาค จากผลการศึกษา สรุปได้ว่าอนุภาคทรงกลมขนาดไมครอน GE มีประสิทธิภาพเหมาะสมสำหรับการควบคุมการปลดปล่อยสาร EGCG ได้เนิ่นนาน อนุภาคทรงกลมขนาดไมครอน GE ที่กักเก็บสาร EGCG นี้ได้ถูกนำไปผสมกับสารละลายกรดไฮยาลูรอนิคเพื่อเตรียมเป็นยาฉีดสำหรับรักษาโรคข้อเสื่อมในสุนัขต่อไป โดยผู้วิจัยคาดหวังว่ายาฉีดที่พัฒนาขึ้นนี้จะมีประสิทธิภาพในการรักษาโรคข้อเสื่อมได้ดีขึ้น เนื่องจากการออกฤทธิ์ร่วมกันของสารสกัดชาเขียว …

Comparison Of Lumbo-Pelvic Kinematics During Trunk Forward Bending And Backward Return Between Patients With Acute Low Back Pain And Asymptomatic Controls, Iman Shojaei, Elizabeth G. Salt, Quenten L. Hooker, Linda R. Van Dillen, Babak Bazrgari

Biomedical Engineering Faculty Publications

Background—Prior studies have reported differences in lumbo-pelvic kinematics during a trunk forward bending and backward return task between individuals with and without chronic low back pain; yet, the literature on lumbo-pelvic kinematics of patients with acute low back pain is scant. Therefore, the purpose of this study was set to investigate lumbo-pelvic kinematics in this cohort.

Methods—A case-control study was conducted to investigate the differences in pelvic and thoracic rotation along with lumbar flexion as well as their first and second time derivatives between females with and without acute low back pain. Participants in each group completed one …

Modified Pamam Dendrimers In Tunable Drug-Delivery Systems: A Sustained-Release Dendrimer Hydrogel For Anti-Glaucoma Drugs And Surface-Engineered Macrophages As Nanoparticle Carriers For Targeted Anti-Cancer Therapy, Christopher A. Holden

Theses and Dissertations

Two specific drug-delivery applications were sought in this work using polyamidoamine (PAMAM) dendrimers. One drug-delivery system used a novel dendrimer hydrogel (DH) for sustained delivery of anti-glaucoma drugs. In this work, PAMAM G3.0 dendrimers were covalently bonded with poly(ethylene glycol) (PEG­₁₂₀₀₀) molecules which were subsequently acrylated, resulting in photocurable DH conjugates. For pharmacological studies, DH were loaded with a solution of intraocular pressure lowering drugs, brimonidine and timolol maleate, and were characterized for in vitro release and ex vivo transport and uptake. DH formulations were shown to increase the loading of drug molecules, increase transcorneal drug delivery, and …