Annual Review of Biomedical Engineering

An understanding of the interactions between nanoparticles and biological systems is of significant interest. Studies aimed at correlating the properties of nanomaterials such as size, shape, chemical functionality, surface charge, and composition with biomolecular signaling, biological kinetics, transportation, and toxicity in both cell culture and animal experiments are under way. These fundamental studies will provide a foundation for engineering the next generation of nanoscale devices. Here, we provide rationales for these studies, review the current progress in studies of the interactions of nanomaterials with biological systems, and provide a perspective on the long-term implications of these findings.

▪ Abstract  Image segmentation plays a crucial role in many medical-imaging applications, by automating or facilitating the delineation of anatomical structures and other regions of interest. We present a critical appraisal of the current status of semiautomated and automated methods for the segmentation of anatomical medical images. Terminology and important issues in image segmentation are first presented. Current segmentation approaches are then reviewed with an emphasis on the advantages and disadvantages of these methods for medical imaging applications. We conclude with a discussion on the future of image segmentation methods in biomedical research.

▪ Abstract  Fluid flow at the microscale exhibits unique phenomena that can be leveraged to fabricate devices and components capable of performing functions useful for biological studies. The physics of importance to microfluidics are reviewed. Common methods of fabricating microfluidic devices and systems are described. Components, including valves, mixers, and pumps, capable of controlling fluid flow by utilizing the physics of the microscale are presented. Techniques for sensing flow characteristics are described and examples of devices and systems that perform bioanalysis are presented. The focus of this review is microscale phenomena and the use of the physics of the scale to create devices and systems that provide functionality useful to the life sciences.

▪ Tóm tắt  Quá trình tái tạo thần kinh là một hiện tượng sinh học phức tạp. Trong hệ thần kinh ngoại biên, các dây thần kinh có thể tự tái tạo nếu chấn thương nhỏ. Các chấn thương lớn hơn cần phải được điều trị phẫu thuật, thường bằng cách ghép dây thần kinh lấy từ những nơi khác trong cơ thể. Chấn thương tủy sống phức tạp hơn, vì có những yếu tố trong cơ thể cản trở quá trình sửa chữa. Thật không may, chưa có giải pháp nào hoàn toàn khắc phục được chấn thương tủy sống. Do đó, các chiến lược bioengineering cho hệ thần kinh ngoại biên tập trung vào các lựa chọn thay thế cho việc ghép dây thần kinh, trong khi các nỗ lực cho chấn thương tủy sống lại tập trung vào việc tạo ra một môi trường thuận lợi cho tái tạo. May mắn thay, những tiến bộ gần đây trong khoa học thần kinh, nuôi cấy tế bào, kỹ thuật di truyền và vật liệu sinh học mang lại hy vọng cho những phương pháp điều trị mới đối với các chấn thương dây thần kinh. Bài báo này xem xét sinh lý học của hệ thần kinh, các yếu tố quan trọng cho việc sửa chữa dây thần kinh, và các phương pháp hiện tại đang được khám phá để hỗ trợ tái tạo dây thần kinh ngoại biên và sửa chữa tủy sống.

Bone is a dynamic tissue that is constantly renewed. The cell populations that participate in this process—the osteoblasts and osteoclasts—are derived from different progenitor pools that are under distinct molecular control mechanisms. Together, these cells form temporary anatomical structures, called basic multicellular units, that execute bone remodeling. A number of stimuli affect bone turnover, including hormones, cytokines, and mechanical stimuli. All of these factors affect the amount and quality of the tissue produced. Mechanical loading is a particularly potent stimulus for bone cells, which improves bone strength and inhibits bone loss with age. Like other materials, bone accumulates damage from loading, but, unlike engineering materials, bone is capable of self-repair. The molecular mechanisms by which bone adapts to loading and repairs damage are starting to become clear. Many of these processes have implications for bone health, disease, and the feasibility of living in weightless environments (e.g., spaceflight).

▪ Abstract  In this review, recent advances in DNA microarray technology and their applications are examined. The many varieties of DNA microarray or DNA chip devices and systems are described along with their methods for fabrication and their use. This includes both high-density microarrays for high-throughput screening applications and lower-density microarrays for various diagnostic applications. The methods for microarray fabrication that are reviewed include various inkjet and microjet deposition or spotting technologies and processes, in situ or on-chip photolithographic oligonucleotide synthesis processes, and electronic DNA probe addressing processes. The DNA microarray hybridization applications reviewed include the important areas of gene expression analysis and genotyping for point mutations, single nucleotide polymorphisms (SNPs), and short tandem repeats (STRs). In addition to the many molecular biological and genomic research uses, this review covers applications of microarray devices and systems for pharmacogenomic research and drug discovery, infectious and genetic disease and cancer diagnostics, and forensic and genetic identification purposes. Additionally, microarray technology being developed and applied to new areas of proteomic and cellular analysis are reviewed.

▪ Abstract  Hydrogels are cross-linked hydrophilic polymers that can imbibe water or biological fluids. Their biomedical and pharmaceutical applications include a very wide range of systems and processes that utilize several molecular design characteristics. This review discusses the molecular structure, dynamic behavior, and structural modifications of hydrogels as well as the various applications of these biohydrogels.

Recent advances in the preparation of three-dimensional structures with exact chain conformations, as well as tethering of functional groups, allow for the preparation of promising new hydrogels. Meanwhile, intelligent biohydrogels with pH- or temperature-sensitivity continue to be important materials in medical applications.

The definitive treatment for end-stage organ failure is orthotopic transplantation. However, the demand for transplantation far exceeds the number of available donor organs. A promising tissue-engineering/regenerative-medicine approach for functional organ replacement has emerged in recent years. Decellularization of donor organs such as heart, liver, and lung can provide an acellular, naturally occurring three-dimensional biologic scaffold material that can then be seeded with selected cell populations. Preliminary studies in animal models have provided encouraging results for the proof of concept. However, significant challenges for three-dimensional organ engineering approach remain. This manuscript describes the fundamental concepts of whole-organ engineering, including characterization of the extracellular matrix as a scaffold, methods for decellularization of vascular organs, potential cells to reseed such a scaffold, techniques for the recellularization process and important aspects regarding bioreactor design to support this approach. Critical challenges and future directions are also discussed.

▪ Tóm tắt  Các cơ bị liệt hoặc bị yếu có thể được kích thích co lại bằng cách áp dụng dòng điện tới các dây thần kinh vận động ngoại vi còn nguyên vẹn chi phối chúng. Khi các co bóp cơ được kích thích bằng điện được phối hợp theo cách mang lại chức năng, kỹ thuật này được gọi là kích thích điện chức năng (FES). Trong hơn 40 năm nghiên cứu về FES, các nguyên tắc về việc kích thích an toàn mô thần kinh cơ đã được thiết lập, và các phương pháp để điều chỉnh cường độ của các co bóp cơ do điện được phát hiện. Các hệ thống FES đã được phát triển để khôi phục chức năng ở chi trên, chi dưới, bàng quang và ruột, cũng như hệ hô hấp. Một số trong các thiết bị neuroprosthesis này đã trở thành sản phẩm thương mại, trong khi những cái khác còn có sẵn trong các môi trường nghiên cứu lâm sàng. Dự kiến rằng các phát triển công nghệ sẽ tạo ra các hệ thống mới không có thành phần bên ngoài, có khả năng mở rộng cho nhiều ứng dụng, có thể nâng cấp cho các tiến bộ mới, và được điều khiển bởi sự kết hợp của các tín hiệu, bao gồm các tín hiệu sinh điện từ thần kinh, cơ và não.