Biomedical Engineering and Bioengineering Commons^™

Muscle Activation And Coordinated Movements Of Infant Rolling, Danielle N. Siegel, Safeer F. Siddicky, Wyatt D. Davis, Erin M. Mannen

Mechanical and Biomedical Engineering Faculty Publications and Presentations

Rolling is a critical step of infant development, encouraging muscle coordination and enabling independent exploration. Understanding muscle activity during infant rolling movements on a flat surface is necessary to more fully characterize how the rolling milestone is achieved. The purpose of this study was to determine infants’ muscle activation throughout roll initiation for six previously established coordinated movements. Thirty-eight healthy infants (age: 6.5 ± 0.7 months; 23M/15F) were enrolled in this IRB-approved in-vivo biomechanics study. Surface electromyography sensors recorded muscle utilization from the erector spinae, abdominal muscles, quadriceps, and hamstrings while infants rolled. Each rolling movement was categorized as one …

Dynamics Of Cell Membrane Lesions And Adaptive Conductance Under The Electrical Stress, Mantas Silkunas, Olga N. Pakhomova, Giedre Silkuniene, Andrei G. Pakhomov

Bioelectrics Publications

Exceeding physiological limits of the cell membrane potential compromises structural integrity, enabling the passage of normally impermeant solutes and disrupting cell function. Electropermeabilization has been studied extensively at the cellular scale, but not at the individual membrane lesion level. We employed fast total internal reflection fluorescence (TIRF) imaging of Ca(2+) entry transients to discern individual lesions in a hyperpolarized cell membrane and characterize their focality, thresholds, electrical conductance, and the lifecycle. A diffuse and momentary membrane permeabilization without a distinct pore formation was observed already at a -100 mV threshold. Polarizing down to -200 mV created focal pores with a …

Development Of Spinal Tethering Device For Posterior Lumbar Interbody Fusion: A Finite Element Study, Nuttawut Janwimaluang

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

Adjacent Segment Disease (ASDis) is the complication occurring after Posterior Lumbar Interbody Fusion (PLIF) surgery due to increased mechanical stress at adjacent unfused segments. Tethering techniques have been studied to mitigate the risk of ASDis by adjusting the spinal load distribution. This study investigates the biomechanical effects of tethering with Finite Element Analysis (FEA), using a validated L1-L5 spine finite element model focusing on Intervertebral Disc (IVD) pressure and Range of Motion (ROM). The model was applied in four movement directions (Flexion, Extension, Lateral bending, Axial rotation) with tethering applied at the spinous process under two pretension forces (25 N …

Development Of Porous Poly(Methylmethacrylate) Beads For Toxic Cytokine Removal Application, Nutchanon Putthabucha

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

Sepsis is a vital cause of death globally, primarily due to the uncontrolled secretion of cytokines that disrupt homeostasis. Hemoperfusion is an extracorporeal blood purification technique to treat sepsis that is uncomplicated and effective. The adsorbent material is the essence part of this technique. Since it has to direct contact with blood, the material requires necessary properties, including hemocompatibility, biocompatibility, mechanical stability, etc. Here in this thesis, we developed a new adsorbent material for hemoperfusion using PMMA beads suspension polymerization. Five different porogens, including ethyl acetate, tributyrin (short-chain triglycerides), MCT oil (medium-chain triglyceride), soybean oil (long-chain triglyceride), and toluene were …

การวิเคราะห์ผลกระทบทางชีวกลศาสตร์ของการใช้เครื่องมือผูกในการผ่าตัดเชื่อมข้อกระดูกสันหลังแบบสั้นด้วยวิธีการทางไฟไนต์เอลิเมนต์, ณัฐภัทร วิริยะ

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

งานวิจัยนี้มุ่งเน้นการทดสอบผลกระทบของการใช้อุปกรณ์ผูกมัดที่มีการปรับแต่งแต่ละรูปแบบต่อการผ่าตัดเชื่อมข้อแบบสั้นบริเวณกระดูกสันหลังส่วนเอวด้วยวิธีการทางไฟไนต์เอลิเมนต์ โดยจำลองลักษณะของกระดูกสันหลังส่วนเอวตั้งข้อ L1-L5 ของมนุษย์ และจำลองลักษณะการผ่าตัดด้วยวิธีการเชื่อมข้อผ่านลักษณะการผ่าตัดแบบ Posterior lumbar interbody fusion หรือ PLIF และ Posterolateral lumbar fusion หรือ PLF ซึ่งเป็นเทคนิคการผ่าตัดที่ได้รับความนิยมในการรักษาในปัจจุบัน ซึ่งจะเปรียบผ่านการใส่และไม่ใส่อุปกรณ์ผูกมัดรูปแบบใหม่นี้ ผลการวิจัยนำเสนอผ่านปัจจัยทางชีวกลศาสตร์ที่สำคัญได้แก่ ความสามารถในการเคลื่อนไหว (Range of motion, ROM), ความดันภายในหมอนรองกระดูกสันหลัง (Intradiscal pressure, IDP) และ แรงที่กระทำบนข้อต่อ Facet (Facet joints force, FJF) ซึ่งสูงขึ้นเมื่อผ่านการผ่าตัดด้วยวิธีการดังกล่าว ผ่านการปรับแต่งของตำแหน่งการตรึง, แรงตรึงตั้งต้น และ ลักษณะการตรึง จากผลการวิจัยพบว่าการใช้อุปกรณ์ผูกมัดดังกล่าวประกอบกับการผ่าตัดทั้ง 2 รูปแบบสามารถลดผลกระทบทางชีวกลศาสตร์ได้มากกว่าการผ่าตัดแบบไม่ใช้อุปกรณ์ควบคู่ ซึ่งให้ผลที่แตกต่างกันตามแต่ลักษณะการปรับแต่งของอุปกรณ์ดังกล่าว ซึ่งการค้นพบดังกล่าวสามารถต่อยอดและสร้างความเข้าใจมากขึ้นถึงปัจจัยหรือผลกระทบการใช้อุปกรณ์ผูกมัดประกอบกับการผ่าตัดเชื่อมข้อของกระดูกสันหลังเพื่อประโยชน์สูงสุดของการผ่าตัดและการรักษาให้มีประสิทธิภาพ

การพัฒนาท่อถ่างขยายทางเดินอาหารชนิดย่อยสลายได้ที่เคลือบผิวด้วยโปรตีนไฟโบรอินไหม, ธันยพร ฉันทโรจน์ศิริ

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

งานวิจัยนี้มีจุดมุ่งหมายในการพัฒนาท่อขยายหลอดอาหารชนิดย่อยสลายได้จากวัสดุ polydioxanone (PDO) ให้มีการย่อยสลายช้าลง โดยทำการขึ้นรูปด้วยเทคนิคการถักทอแบบ Hook cross เพื่อให้ได้ท่อถ่างขยายที่มีสมบัติเชิงกลเหมาะสมสำหรับการใช้ในทางเดินอาหาร ทำการศึกษาการบำบัดด้วยพลาสม่าเพื่อเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นผิว ทดสอบสมบัติเชิงกลของท่อถ่างขยายที่ขึ้นรูปด้วยโครงสร้างที่ต่างกัน การเคลือบโปรตีนไฟโบรอินลงบนเส้นไหม PDO และทดสอบอัตราการย่อยสลายของท่อถ่างขยายทางเดินอาหารที่เคลือบผิวด้วยโปรตีนไฟโบรอิน การศึกษานี้พบว่า มีการเพิ่มขึ้นของแรงขยายออกด้านข้างของท่อถ่างขยายเมื่อมีการเพิ่มความหนาแน่นของการถัก แต่เมื่อเพิ่มความหนาแน่นของการถักมากขึ้นจะทำให้แรงขยายลดลง และการขึ้นรูปแบบ Hook cross จะสามารถปรับรูปร่างของท่อถ่างขยายขึ้นกับรอยตีบได้ดีกว่าวิธีถักแบบ braided การบำบัดด้วยพลาสมานั้นถึงแม้จะช่วยเปลี่ยนแปลงสมบัติพื้นผิวของเส้นไหม PDO แต่ไม่ได้ช่วยเรื่องการเคลือบโปรตีนไฟโบรอิน การที่จะเคลือบโปรตีนไฟโบรอินลงบนท่อถ่างขยาย PDO ต้องใช้วิธีการเคลือบโดยใช้ไนโตรเจนเหลวและเอธานอล เมื่อผ่านการเคลือบด้วยโปรตีนไฟโบรอินแล้ว เส้นไหม PDO มีการเปลี่ยนแปลงสมบัติพื้นผิวทั้งในด้านโมเลกุลพื้นผิวและความชอบน้ำ และท่อถ่างขยายทางเดินอาหาร PDO ที่ผ่านการเคลือบด้วยโปรตีนไฟโบรอินมีการย่อยสลายช้ากว่าท่อถ่างขยายทางเดินอาหารที่ไม่ได้เคลือบด้วยโปรตีนไฟโบรอิน 4 สัปดาห์ และมีการละลายของโปรตีนไฟโบรอินออกมาอย่างรวดเร็วใน 4-8 สัปดาห์แรก และได้ทดสอบการใส่ท่อถ่างขยายทางเดินอาหาร PDO ในลำไส้สุกร ซึ่งพบว่าการเคลือบโปรตีนไฟโบรอินอาจทำให้การกางของท่อถ่างขยายนั้นน้อยกว่าแบบที่ไม่ได้ผ่านการเคลือบ ซึ่งจะสามารถนำไปพัฒนาใช้ในทางคลินิกได้ต่อไป

Plasma Protein Signatures Of Adult Asthma, Gordon J. Smilnak, Yura Lee, Abhijnan Chattopadhyay, Annah B. Wyss, Julie D. White, Sinjini Sikdar, Jianping Jin, Andrew J. Grant, Alison A. Motsinger-Reif, Jian-Liang Li, Mikyeong Lee, Bing Yu, Stephanie J. London

Mathematics & Statistics Faculty Publications

Background: Adult asthma is complex and incompletely understood. Plasma proteomics is an evolving technique that can both generate biomarkers and provide insights into disease mechanisms. We aimed to identify plasma proteomic signatures of adult asthma.

Methods: Protein abundance in plasma was measured in individuals from the Agricultural Lung Health Study (ALHS) (761 asthma, 1095 non-case) and the Atherosclerosis Risk in Communities study (470 asthma, 10,669 non-case) using the SOMAScan 5K array. Associations with asthma were estimated using covariate adjusted logistic regression and meta-analyzed using inverse-variance weighting. Additionally, in ALHS, we examined phenotypes based on both asthma and seroatopy (asthma with …

Integrative Machine Learning Approaches For Enhanced Classification Of Genomic Sequences: A Next-Generation Sequencing Perspective, Sujatha Alla, Nagesh Bheesetty, Sai Gireesh Komaragiri, Prasanthi Chidipudi, Joshit Mohanty, Sathish Kumar Chintala, Jubin Thomas, Jayapal Vummadi, Hemanth Volikatla, Navin Kamuni

Engineering Management & Systems Engineering Faculty Publications

The advent of Next-Generation Sequencing (NGS) techniques has revolutionized genomic research by enabling the rapid sequencing of DNA and RNA. This data can be used for various applications, including genome sequencing, transcriptome profiling, metagenomics, and epigenetics studies. For this study, DNA classifier dataset was extracted from UCI repository of machine learning databases. This vast amount of genomic data necessitates the development of sophisticated machine learning (ML) models for effective classification and analysis. This study presents a comprehensive comparison of various ML models, including Support Vector Machines (SVM), Random Forests (RF), and Neural Networks (NNs), approaches, in classifying genomic data. We …

Biom 1720: Introduction To Biomedical Engineering Tools, Stephen Strain

Biomedical Engineering Syllabi Archive

Course Description: Use of computer tools for data analysis, presentation, documentation; introduction to programming; individual and group design projects.

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.

Biom 4782: Biomedical Design Practicum (Syllabus), Amy Curry

Biomedical Engineering Syllabi Archive

Course Description: Practical application of biomedical design principles with emphasis on project management, teamwork, prototype production, risk analysis and management, technical drawings, patent review with claim development, market analysis, regulatory issues, professional and ethical responsibilities of a biomedical engineer, engineering analysis/reports, incorporation of standards, prototype verification/validation, and presentation skills.

Biom 4784: Biomedical Design Studio (Syllabus), Amy Curry

Biomedical Engineering Syllabi Archive

Course Description: Laboratory experience dedicated to the design, development, and fabrication of a final prototype for use in conducting engineering analysis and design loop feedback. Responsibilities will include frequent team meetings, mentor advising, and group brainstorming along with prototype designing, technical drawings, fabrication, engineering analysis, and verification/validation. Deliverables for each team will be a prototype, final design specification report with engineering reports, and a final team presentation.

Biom 4410/Mech 4397: Engineering Practicum (Syllabus), Sheila Moses, Jeff Marchetta, Amy Curry

Biomedical Engineering Syllabi Archive

Course Description: Preparation for professional practice through experiential learning under the supervision of an experienced engineer with oversight by a member of the department’s faculty. Regular reporting throughout course required.

Pharmacology Of Boldine: Summary Of The Field And Update On Recent Advances, Juan C. Sáez, Justin C. Burrell, Catherine M. Cahill, D. Kacy Cullen, Lakshmi A. Devi, Ryan J. Gilbert, Zachary A. Graham, Vadim J. Gurvich, Leif A. Havton, Ravi Iyengar, Rajesh Khanna, Edmund F. Palermo, Mustafa Siddiq, Carlos A. Toro, Walter Vasquez, Wei Zhao, Christopher P. Cardozo

Chemical and Biochemical Engineering Faculty Research & Creative Works

Over the past decade, boldine, a naturally occurring alkaloid found in several plant species including the Chilean Boldo tree, has garnered attention for its efficacy in rodent models of human disease. Some of the properties that have been attributed to boldine include antioxidant activities, neuroprotective and analgesic actions, hepatoprotective effects, anti-inflammatory actions, cardioprotective effects and anticancer potential. Compelling data now indicates that boldine blocks connexin (Cx) hemichannels (HCs) and that many if not all of its effects in rodent models of injury and disease are due to CxHC blockade. Here we provide an overview of boldine's pharmacological properties, including its …

Dihydroethidium-Derived Fluorescence In Electrically Stressed Cells Indicates Intracellular Microenvironment Modifications Independent Of Ros, Esin B. Sözer, Iurii Semenov, P. Thomas Vernier

Bioelectrics Publications

Intracellular reactive oxygen species (ROS) generation is widely suggested as a trigger for biological consequences of electric field exposures, such as those in electroporation applications. ROS are linked with membrane barrier function degradation, genetic damage, and complex events like immunological cell death. Dihydroethidium (DHE) is commonly used to monitor ROS in cells. DHE is linked to intracellular ROS by a primary oxidation product, Ethidium (Eth⁺), that shows increased fluorescence upon binding to polynucleotides. We observed changes in DHE-derived fluorescence in Chinese hamster ovary (CHO) cells post 300-ns electric pulse exposures, comparing them to tert-butyl-hydroperoxide (t-BHP) induced oxidative stress. …

Developing An Immunomodulatory Strategy Using Biophysical Cues To Modulate Macrophage Phenotype For Fracture Healing And Bone Regeneration, Harshini Suresh Kumar

Theses and Dissertations--Biomedical Engineering

Chronic inflammation is a major cause of the pathogenesis of musculoskeletal diseases such as fragility, fracture, and nonunion. Studies have shown that modulating the immune phenotype of macrophages from proinflammatory to pro-healing can heal recalcitrant bone defects. Current therapeutic strategies predominantly apply biochemical cues, which often lack target specificity, and controlling their release kinetics in vivo is challenging spatially and temporally. We have developed a magnetic iron-oxide nanocomplexes (MNC)-based therapy for resolving chronic inflammation in the context of promoting fracture healing. Here, we show that MNC internalized macrophages, when coupled with an external magnetic field, can exert an intracellular magnetic …

Relating Temperature, Sleep, And Pathology In Mouse Models Of Alzheimer's Disease, Jun Wang

Theses and Dissertations--Biomedical Engineering

It is well established that sleep plays an important role in Alzheimer’s disease (AD) pathology. There is growing evidence that sleep issues may accelerate AD pathology by interrupting the physiological clearance of amyloid‐β (Aβ) from the brain, which mainly occurs in normal sleep. As the over-accumulation of amyloid‐β (Aβ) is believed to lead the cascade effect that eventually causes neurodegeneration in AD patients, development of therapeutic strategies for improving sleep quality may help slow disease progression. It is well documented that the composition and dynamics of sleep are sensitive to changes in ambient temperature. We therefore developed a sleep enhancement …

Development Of Iron Oxide Nanozyme For Cancer Therapy, Zhongchao Yi

Theses and Dissertations--Biomedical Engineering

Cancer therapies that leverage reactive oxygen species (ROS) have shown potential for cancer inhibition due to their ability to induce oxidative stress in tumor cells. Iron oxide nanoparticles (IONPs) have garnered significant attention as a promising platform for ROS-dependent disease treatment, owing to their remarkable biocompatibility and Fenton catalytic activity. However, the low catalytic activity of IONPs has been a major hurdle in their clinical translation. To overcome this challenge, IONPs of different compositions are examined for their Fenton reaction under pharmacologically relevant conditions in this work. The results show that wüstite (Fe_1-xO) nanoparticles exhibit higher catalytic activity …

In Vivo Measurement Of Nadh Fluorescence Lifetime In Skeletal Muscle Via Fiber-Coupled Time-Correlated Single Photon Counting, Kathryn M. Priest, Jacob V. Schluns, Nathania Nischal, Colton L. Gattis, Jeffery C. Wolchok, Timothy J. Muldoon

Biomedical Engineering Faculty Publications and Presentations

Nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) is a cofactor that serves to shuttle electrons during metabolic processes such as glycolysis, the tricarboxylic acid cycle, and oxidative phosphorylation (OXPHOS). NADH is autofluorescent, and its fluorescence lifetime can be used to infer metabolic dynamics in living cells. Fiber-coupled time-correlated single photon counting (TCSPC) equipped with an implantable needle probe can be used to measure NADH lifetime in vivo, enabling investigation of changing metabolic demand during muscle contraction or tissue regeneration. This study illustrates a proof of concept for point-based, minimally-invasive NADH fluorescence lifetime measurement in vivo. Volumetric muscle loss (VML) injuries were …

Adaptation Of A Commercially Available Galvanic Skin Response Sensor To Measure Respiration Across The Chest For Heart Rate Variability Monitoring, Breno C. Dobal

Honors Undergraduate Theses

Heart rate variability (HRV) is a naturally occurring cardiovascular phenomenon referring to the changing timing between consecutive heartbeats. The connection between HRV and overall cardiovascular health and autonomic nervous system function has been well established through prior research and well documented in existing literature. The existing studies, however, included shorter HRV subject recording session, using traditional HRV monitoring methods that do not typically combine electrocardiogram (ECG), seismocardiogram (SCG) and galvanic skin response (GSR) respiration monitoring. The inclusion of longer HRV subject recording may allow for further insight on the possible effects of given observable biological phenomenon on HRV.

The current …