A Trabecular Bone Explant Model of Osteocyte–Osteoblast Co-Culture for Bone Mechanobiology

The osteocyte network is recognized as the major mechanical sensor in the bone remodeling process, and osteocyte-osteoblast communication acts as an important mediator in the coordination of bone formation and turnover. In this study, we developed a novel 3D trabecular bone explant co-culture model that allows live osteocytes situated in their native extracellular matrix environment to be interconnected with seeded osteoblasts on the bone surface. Using a low-level medium perfusion system, the viability of in situ osteocytes in bone explants was maintained for up to 4 weeks, and functional gap junction intercellular communication (GJIC) was successfully established between osteocytes and seeded primary osteoblasts. Using this novel co-culture model, the effects of dynamic deformational loading, GJIC, and prostaglandin E-2 (PGE(2)) release on functional bone adaptation were further investigated. The results showed that dynamical deformational loading can significantly increase the PGE(2) release by bone cells, bone formation, and the apparent elastic modulus of bone explants. However, the inhibition of gap junctions or the PGE(2) pathway dramatically attenuated the effects of mechanical loading. This 3D trabecular bone explant co-culture model has great potential to fill in the critical gap in knowledge regarding the role of osteocytes as a mechano-sensor and how osteocytes transmit signals to regulate osteoblasts function and skeletal integrity as reflected in its mechanical properties.

Efeitos macrovasculares, microvasculares e interação leucócito-endotélio, na endotoxemia experimental após o uso de Dobutamina com e sem ressuscitação volêmica

Na sepse, o mecanismo desencadeador de morte é a disfunção múltipla de órgãos e sistemas. Com isso a microcirculação é considerada o motor na patogênese da sepse. A perfusão microcirculatória representa um dos principais objetivos para melhorar as taxas de sobrevida. Uma vez reconhecida a síndrome séptica, o protocolo clínico estabelece o uso de fluidoterapia com salina, de forma vigorosa na primeira hora e seguida de suporte inotrópico com Dobutamina. A partir daí foi levantada a hipótese das drogas β-agonistas serem relevantes na recuperação da microcirculação, antes mesmo de seu conhecido papel na recuperação do choque cardiogênico. Assim, estudar o papel da Dobutamina, um β-agonista, na resposta adrenérgica em situação de sepse se faz necessário e urgente e o entendimento de sua ação, associada à reposição volêmica, foi objeto deste estudo. Foram usados no presente estudo, 78 hamsters, induzida a endotoxemia com LPS (2mg/kg/de massa de peso corporal) e divididos em 9 grupos: controle (n=10), endotóxico(n=10), endotóxico tratados com Dobutamina na dose de 5 e 15 μg /kg/min (n=10), Isoproterenol(n=10), ressuscitação volêmica (n=10) e ressuscitação volêmica associada à Dobutamina 5 (n=10) e 15 μg/kg/min (n=4) e Isoproterenol (n=4). Foram comparados os resultados de recuperação da densidade capilar funcional ao longo do tempo entre os grupos, e obteve-se resultado estatisticamente significativo no grupo em que se usa Dobutamina de 5μg/kg/min associada à ressuscitação volêmica p< 0,05. Em conclusão este estudo mostra que o papel da ressuscitação volêmica é crucial na resposta da microcirculação para melhorar a densidade capilar funcional, que a velocidade da hemácia capilar tem relação direta com a melhora na perfusão tecidual e que a associação de recuperação volêmica com solução salina e Dobutamina na dose de 5 μg /kg /min melhora significativamente sua resposta e melhora a perfusão.

Participação do propranolol no reparo tecidual de lesões isquêmicas cutâneas em ratos

Receptores adrenérgicos são amplamente expressos em diferentes tecidos, incluindo na pele. Recentemente foi descoberto que bloqueadores dos receptores β-adrenérgicos são capazes de modular o processo de reparo tecidual. O propranolol é um β-bloqueador não seletivo largamente utilizado na prática clínica para o tratamento de doenças cardiovasculares, parecendo apresentar propriedades antioxidantes. O objetivo desse estudo foi avaliar a resposta de diferentes doses de propranolol durante a lesão isquêmica cutânea em roedores. Ratos Wistar foram tratados com propranolol nas concentrações de 3 e 6 mg/kg. O grupo controle recebeu apenas o veículo e o grupo controle positivo recebeu vitamina E (50 mg/kg/dia). A administração do propranolol iniciou-se no dia da lesão, sendo realizada diariamente até o sacrifício. Incisões bilaterais foram feitas no dorso de cada animal. O flap foi suturado e foram realizadas lesões excisionais totais entre as lesões incisionais. A contração das lesões foi avaliada e os cortes histológicos foram corados com hematoxilina e eosina e vermelho de picrosirius. Foram utilizadas também as seguintes técnicas: Dopplerfluxometria, análises bioquímicas, análise estereológica e expressão de PECAM-1. O grupo tratado com 3 mg de propranolol apresentou uma maior redução na área total da lesão quando comparado ao grupo controle. Da mesma forma, este grupo apresentou um aumento na densidade de vasos sanguíneos, uma maior expressão de PECAM-1 e aumento na perfusão sanguínea na pele isquêmica e no sítio da lesão quando comparado ao grupo controle. Não observamos efeito antioxidante do propranolol neste modelo. Em resumo, nós sugerimos que o propranolol quando administrado na dose de 3 mg/kg/dia foi capaz de modular a angiogênese e melhorar o fechamento da lesão em modelo de roedores

Aireztapenen maiztasunaren neurketa bihotz biriketako berpiztean kapnografia erabiliz.

[EN]Hyperventilation, which is common both in-hospital and out-of-hospital cardiac arrest, decreases coronary and cerebral perfusion contributing to poorer survival rates in both animals and humans. Current resucitation guidelines recommend continuous monitoring of exhaled carbon dioxide (CO2) during cardiopulmonary resucitation (CPR) and emphasize good quality of CPR, including ventilations at 8-10 min1. Most of commercial monitors/de- brilators incorporate methods to compute the respiratory rate based on capnography since it shows uctuations caused by ventilations. Chest compressions may induce artifacts in this signal making the calculation of the respiratory rate di cult. Nevertheless, the accuracy of these methods during CPR has not been documented yet. The aim of this project is to analyze whether the capnogram is reliable to compute ventilation rate during CPR. A total of 91 episodes, 63 out-of-hospital cardiac arrest episodes ( rst database) and 28 in-hospital cardiac arrest episodes (second database) were used to develop an algorithm to detect ventilations in the capnogram, and the nal aim is to provide an accurate ventilation rate for feedback purposes during CPR. Two graphic user interfaces were developed to make the analysis easier and another two were adapted to carry out this project. The use of this interfaces facilitates the managment of the databases and the calculation of the algorithm accuracy. In the rst database, as gold standard every ventilation was marked by visual inspection of both the impedance, which shows uctuations with every ventilation, and the capnography signal. In the second database, volume of the respiratory ow signal was used as gold standard to mark ventilation instants since it is not a ected by chest compressions. The capnogram was preprocessed to remove high frequency noise, and the rst di erence was computed to de ne the onset of inspiration and expiration. Then, morphological features were extracted and a decission algorithm built based on the extracted features to detect ventilation instants. Finally, ventilation rate was calculated using the detected instants of ventilation. According to the results obtained in this project, the capnogram can be reliably used to give feedback ventilation rate, and therefore, on hyperventilation in a resucitation scenario.

Dobutamine in Paediatric Population: A Systematic Review in Juvenile Animal Models

Objective: Although dobutamine is widely used in neonatal clinical practice, the evidence for its use in this specific population is not clear. We conducted a systematic review of the use of dobutamine in juvenile animals to determine whether the evidence from juvenile animal experiments with dobutamine supported the design of clinical trials in neonatal/ paediatric population. Methods: Studies were identified by searching MEDLINE (1946-2012) and EMBASE (1974-2012). Articles retrieved were independently reviewed by three authors and only those concerning efficacy and safety of the drug in juvenile animals were included. Only original articles published in English and Spanish were included. Results: Following our literature search, 265 articles were retrieved and 24 studies were included in the review: 17 focused on neonatal models and 7 on young animal models. Although the aims and design of these studies, as well as the doses and ages analysed, were quite heterogeneous, the majority of authors agree that dobutamine infusion improves cardiac output in a dose dependent manner. Moreover, the cardiovascular effects of dobutamine are influenced by postnatal age, as well as by the dose used and the duration of the therapy. There is inadequate information about the effects of dobutamine on cerebral perfusion to draw conclusions. Conclusion: There is enough preclinical evidence to ensure that dobutamine improves cardiac output, however to better understand its effects in peripheral organs, such as the brain, more specific and well designed studies are required to provide additional data to support the design of clinical trials in a paediatric population.

Efeito da terapia farmacológica anti-hipertensiva sobre densidade capilar e função endotelial microcirculatória

Hipertensos têm rarefação capilar e disfunção endotelial microcirculatória, tornando-se mais vulneráveis a lesões em órgãos-alvo. O estudo buscou avaliar o efeito de seis meses de tratamento farmacológico sobre densidade capilar e reatividade microvascular a estímulos fisiológicos e farmacológicos em hipertensos de baixo risco cardiovascular. Secundariamente testou-se a existência de diversidade nas respostas a diferentes estratégias anti-hipertensivas. Foram recrutados 44 pacientes, com 46,71,3 anos e 20 normotensos com 48,01,6 anos. Avaliaram-se dados antropométricos e laboratoriais e dosaram-se no soro o fator de crescimento vascular endotelial (VEGF), receptor Flt-1 para VEGF e óxido nítrico (NO). A contagem capilar foi por microscopia intravital, captando-se imagens da microcirculação no dorso da falange do dedo médio e contando os capilares com programa específico. Repetia-se o procedimento após hiperemia reativa pós-oclusiva (HRPO) para avaliar o recrutamento capilar. A reatividade vascular foi testada por fluxometria Laser Doppler, iontoforese de acetilcolina (Ach), HRPO e hiperemia térmica local (HTL). Os pacientes foram distribuídos aleatoriamente para dois grupos de tratamento: succinato de metoprolol titulado a 100 mg diários ou olmesartana medoxomila titulada a 40 mg diários, empregando-se, se necessário, a hidroclorotiazida. Os controles seguiram o mesmo protocolo inicial e após seis meses todos os testes foram repetidos nos hipertensos. As variáveis clínicas e laboratoriais basais eram semelhantes em comparação aos controles e entre os dois grupos de tratamento. Após seis meses, havia pequenas diferenças entre os grupos na relação cintura-quadril e HDL. A densidade capilar antes do tratamento era significativamente menor que no grupo controle (71,31,5 vs 80,61,8 cap/mm2 p<0,001 e HRPO 71,71,5 vs 79,52,6 cap/mm2 p<0,05) e, com o tratamento, aumentou para 75,41,1 cap/mm2 (p<0,01) no estado basal e para 76,81,1 cap/mm2 à HRPO (p<0,05). À reatividade vascular, a condutância vascular cutânea (CVC) em unidades de perfusão (UP)/mmHg era similar à HTL nos controles e hipertensos e aumentou com o tratamento nos dois subgrupos (metoprolol:1,730,2 a 1,900,2 p<0,001 e olmesartana:1,490,1 a 1,870,1 p<0,001). A CVC máxima à HRPO era menor nos hipertensos: 0,30(0,22-0,39) que nos controles: 0,39(0,31-0,49) com p<0,001. Após tratamento, aumentou para 0,41(0,29-0,51) com p<0,001. O aumento foi significativo apenas no grupo olmesartana (0,290,02 a 0,420,04 p<0,001). A diferença entre o tempo para atingir o fluxo máximo à HRPO aumentou no grupo metoprolol após tratamento 3,0 (-0,3 a 8,8) segundos versus olmesartana 0,4 (-2,1 a 2,4) segundos p<0,001. À iontoforese, a área sob a curva de fluxo (AUC) era similar nos grupos e aumentou com o tratamento, de 6087(3857-9137) para 7296(5577-10921) UP/s p=0,04. O VEGF e receptor não diferiam dos controles nem sofreram variações. A concentração de NO era maior nos hipertensos que nos controles: 64,9 (46,8-117,6) vs 50,7 (42-57,5) M/dl p=0,02 e não variou com tratamento. Em conclusão, hipertensos de baixo risco têm menor densidade e menor recrutamento capilar e ambos aumentam com tratamento. Apresentam também disfunção endotelial microcirculatória que melhora com a terapia.

Disfunção mitocondrial e cardíaca em camundongos induzida por dieta rica em ácidos graxos poliinsaturados

Indivíduos obesos apresentam maior risco de morbidade e mortalidade atribuída às doenças cardiovasculares. A composição da dieta é um fator que prediz o fenótipo cardíaco em resposta a obesidade e, o tipo de ácido graxo pode afetar de forma diferencial a estrutura e a função do miocárdio. Estudos têm mostrado que a disfunção mitocondrial exerce um papel chave na patogênese da insuficiência e hipertrofia cardíaca, e as alterações mitocondriais observadas em falhas cardíacas apontam para defeitos em sítios específicos da cadeia transportadora de elétrons. Desta forma, o objetivo deste estudo foi avaliar a função contrátil ventricular em camundongos, alimentados com dieta hiperlipídica, rica em ácidos graxos poliinsaturados, buscando elucidações através da bioenergética mitocondrial. Após desmame, camundongos machos C57Bl/6 passaram a receber dieta manipulada contendo 7% (C) ou 19% (HF) de óleo de soja, até os 135 dias de idade. A ingestão alimentar e a massa corporal foram monitoradas e foi realizado teste de tolerância à glicose. No final do período experimental, os animais foram anestesiados e submetidos à avaliação da composição corporal por Absortimetria de Raios X de Dupla Energia (DXA), e em seguida, sacrificados por exsanguinação. No plasma foram determinados o perfil lipídico e a insulina. O coração, o tecido adiposo intra-abdominal e o subcutâneo foram coletados, pesados, processados para análise histomorfológica. Fibras cardíacas do ventrículo esquerdo foram utilizadas para análise da respiração mitocondrial através de oxígrafo. O coração também foi utilizado para a técnica de perfusão de coração isolado de Langendorff, e para análise da expressão de proteínas relacionadas à bioenergética de cardiomiócitos, através de Western Blotting. O índice de HOMA e de adiposidade foram calculados. O grupo HF apresentou maior adiposidade, sem alteração na ingestão alimentar. Foi observada intolerância a glicose, hiperinsulinemia e resistência à insulina, além de alterações desfavoráveis no perfil lipídico. Foi observado alteração na morfologia cardíaca e quadro de cardiomiopatia hipertrófica, refletindo em alteração hemodinâmica, determinando maior contratilidade, maior pressão ventricular e função diastólica prejudicada. Em relação à atividade mitocondrial dos cardiomiócitos foi observada menor oxidação de carboidratos (-47%) e de ácidos graxos (-60%). Porém, sem alteração na expressão de proteínas relacionadas à bioenergética de cardiomiócitos, CPT1, UCP2, GLUT1, GLUT4, AMPK e pAMPK. A partir desses resultados, concluímos que o tipo e a quantidade de ácidos graxos predizem o fenótipo cardíaco na obesidade, promovendo alteração na capacidade oxidativa mitocondrial, na morfologia e na hemodinâmica cardíaca

Efeitos da ingestão materna de sorbitol na lactação sobre o perfil nutricional, bioquímico e toxicológico das proles amamentadas

Sorbitol é um poliol encontrado em produtos para fins especiais, como diet e light, Dentro deste contexto, incluem-se as lactantes como grandes consumidoras, almejando o retorno mais rápido ao peso pré-gestacional. Devido à grande carência em dados referentes às consequências metabólicas do consumo excessivo destes tipos de produtos, o objetivo deste trabalho foi avaliar os possíveis efeitos da ingestão materna de sorbitol na lactação sobre os perfis nutricional, bioquímico e toxicológico nas proles amamentadas. O teste da Salmonella/microssoma foi utilizado, inicialmente, na avaliação mutagênica e citotóxica com linhagens de S. enterica sorovar Typhimurium (TA97, TA98, TA100, TA102, TA104 e TA1535). Verificamos a capacidade de reversão da mutação (I.M.) e sobrevivência (%), em diferentes concentrações (0,4; 4; 40; 400; 4000 e 5000 μg/placa). Os resultados foram considerados positivos para valores de I.M. ≥ 2,0. Ratas wistar lactantes (6 por grupo experimental), cada uma com 6 filhotes, receberam sorbitol (0,00015 mg/g/dia; 0,0015 mg/g/dia e 0,15 mg/g/dia), nos primeiros 14 dias da lactação. Neste período, avaliamos a biometria das mães e proles, consumo de ração e ingestão hídrica das mães. Após a lactação, as ratas mães foram ordenhadas, e, junto com as proles, sacrificadas por punção cardíaca, para coleta de sangue total. Os fígados das proles foram submetidos ao método de perfusão, para obtenção de hepatócitos em cultura primária, ao final dos 14 dias de lactação. Os fêmures das proles foram retirados, para obtenção da medula óssea. A bioquímica de sangue das proles (glicose, triglicerídeo, colesterol total, LDL, proteínas totais, albumina, ALT, AST, cálcio total e ionizado) foi analisada, assim como a bioquímica do leite ordenhado (triglicerídeos). Os testes do micronúcleo em medual óssea e hepatócitos, assim como o teste Cometa em sangue total, foram utilizados para avaliação genotóxica e citotóxica, de acordo com as diretrizes da OECD. Os resultados mostraram que, em concentrações mais baixas (0,00015 e 0,0015 mg/g), o sorbitol induziu o ganho de peso, principalmente na menor concentração (0,00015 mg/g), e alterações no perfil lipídico do sangue em todas as concentrações. As quantidades de triglicerídeo no leite variaram em função da dose ingerida, reduzida na maior concentração (0,15 mg/g) e aumentada na menor (0,00015 mg/g). A maior concentração (0,15 mg/g) resultou em perda de peso das mães e proles, diminuição de proteínas viscerais totais, albumina e aumento de enzimas hepáticas (ALT e AST) nas proles. Os resultados do teste da Salmonella/microssoma não indicaram mutagenicidade, entretanto, uma relação de dependência entre dose e Índice de Mutagenicidade (I.M.). Ambos os testes, micronúcleos de medula óssea e hepatócitos, apresentaram uma citotoxicidade dose dependente, estatisticamente significativa em relação ao grupo controle, corroborando com a genotoxicidade do teste Cometa e dependência de dose encontrada no teste da Salmonella/microssoma. Em concentrações mais baixas, parece existir modulação das vias lipogênicas, em contrapartida, nas mais altas a toxicidade parece dificultar tais alterações, induzindo o efeito contrário. Concluimos que o consumo excessivo de sorbitol resulta em alterações metabólicas e toxicológicas em lactentes, mesmo sendo considerado seguro pelo FDA e ANVISA.

Papel do sistema renina-angiotensina e do desequilíbrio redox em modelo experimental de pré-eclâmpsia induzida por L-NAME

Pré-eclâmpsia (PE), uma síndrome sistêmica da gestação caracterizada por proteinúria e hipertensão, está associada a uma significativa mortalidade tanto materna quanto fetal. Eentretanto, sua fisiopatologia ainda não é totalmente compreendida. Apesar de um expressivo aumento da atividade do sistema renina-angiotensina (SRA) na gestação normal, a pressão arterial não aumenta. Além disso, a redução da pressão de perfusão intra-uterina promove um aumento na liberação de espécies reativas de oxigênio que podem contribuir para a hipertensão na gestação. Dessa forma, o objetivo deste trabalho foi estudar o papel do SRA vascular, assim como, do estresse oxidativo plasmático, cardiorenal e placentário para a regulação cardiovascular materna em ratas normotensas e em modelo de PE induzida por L-NAME. Foi observado um aumento da pessão arterial em animais que receberal L-NAME. As ratas grávidas + L-NAME apresentaram um menor ganho de massa corporal durante a gestação, menor múmero de filhotes vivos, maior número de abortos, menor massa placentária total e fetos com menor massa corporal. Foi observada uma redução na resposta vasodilatadora induzida por acetilcolina (ACh) e angiotensina (Ang) II, aumento na resposta vasodilatadora induzida por nitroglicerina (NG) e aumento na resposta vasoconstritora induzida por fenilefrina (Phe) e Ang II em LAM de ratas grávida e não grávidas que receberam L-NAME. Não foi observada diferença na expressão dos receptores AT1 e AT2 e das enzimas ECA, ECA2 e eNOS. Foi observado um aumento na concentração plasmática de renina e bradicinina (BK) em ratas grávidas + L-NAME e uma redução na concentração de Ang 1-7. As ratas grávidas e grávidas + L-NAME apresentaram um aumento nos níveis séricos de estradiol. Os níveis de malondialdeído e carbonilação de proteínas estava aumentados e a atividade das enzimas antioxidantes SOD e GPx estavam reduzidas em ratas grávidas e não grávidas que receberam L-NAME. A atividade da CAT não apresentou diferença entre os grupos. Em conclusão, uma redução na vasodilatação induzida pela Ang II associada a um aumento da vasoconstrição promovida por este peptídeo, sugerem uma contribuição do SRA no desenvolvimento das complicações características da PE observadas no modelo experimental de PE induzido por L-NAME. Do mesmo modo, a peroxidação lipídica e oxidação de proteínas aumentadas, assim como, as atividades enzimáticas antioxidantes reduzidas sugerem a contribuição de uma defesa antioxidante comprometida e um dano oxidativo aumentado para o desenvolvimento da hipertensão e disfunção endotelial, aumento da mortalidade fetal e retardo do crescimento intra-uterino observados no modelo de PE estudado.

Avaliação das alterações macro-hemodinâmicas, microcirculatórias, gasométricas, metabólicas e inflamatórias secundárias à sedação com dexmedetomidina em um modelo experimental de endotoxemia em hamsters

Pela sua alta incidência, morbidade, mortalidade e custos ao sistema de saúde, a sepse se destaca entre as diversas indicações de internação em unidade de terapia intensiva (UTI). A disfunção da microcirculação tem papel central na gênese e manutenção da síndrome séptica, sendo um marco fisiopatológico desta síndrome. Pacientes críticos invariavelmente estão ansiosos, agitados, confusos, desconfortáveis e/ou com dor. Neste contexto, drogas sedativas são amplamente utilizadas na medicina intensiva. A dexmedetomidina, um agonista potente e altamente seletivo dos receptores alfa-2 adrenérgicos, vem conquistando espaço como o sedativo de escolha nas UTIs por seus efeitos de sedação consciente, redução da duração e incidência de delirium e preservação da ventilação espontânea. Apesar destas possíveis vantagens, a indicação de uso da dexmedetomidina na síndrome séptica ainda carece de conhecimentos sobre seus efeitos na microcirculação e perfusão orgânica. Com o intuito de caracterizar os efeitos microcirculatórios da dexmedetomidina em um modelo murino de endotoxemia que permite estudos in vivo da inflamação e disfunção da perfusão microvascular, hamsters Sírios dourados submetidos à endotoxemia induzida por administração intravenosa de lipopolissacarídeo de Escherichia coli (LPS, 1,0 mg.kg-1) foram sedados com dexmedetomidina (5,0 μg.kg.h-1). A microscopia intravital da preparação experimental (câmara dorsal) permitiu a realização de uma análise quantitativa das variáveis microvasculares e do rolamento e adesão de leucócitos à parede venular. Também foram analisados os parâmetros macro-hemodinâmicos e gasométricos (arterial e venoso portal), as concentrações de lactato arterial e venoso portal, a água pulmonar total e a sobrevivência do animal. Animais não-endotoxêmicos e/ou tratados com solução salina a 0,9% serviram como controles neste experimento. O LPS aumentou o rolamento e a adesão de leucócitos à parede venular, diminuiu a densidade capilar funcional e a velocidade das hemácias nos capilares e induziu acidose metabólica. O tratamento com dexmedetomidina atenuou significativamente estas respostas patológicas (p < 0,05). A frequência de pulso dos animais foi significativamente reduzida pela droga (p < 0,05). Outros resultados não foram tão expressivos (estatisticamente ou clinicamente). Estes resultados indicam que a utilização de dexmedetomidina produz um efeito protetor sobre a microcirculação da câmara dorsal de hamsters endotoxêmicos. Efeitos anti-inflamatórios da dexmedetomidina sobre os leucócitos e o endotélio poderiam melhorar a perfusão capilar e representar o mecanismo in vivo de ação da droga na microcirculação.

An extended computational model of the circulatory system for designing ventricular assist devices.

An extended computational model of the circulatory system has been developed to predict blood flow in the presence of ventricular assist devices (VADs). A novel VAD, placed in the descending aorta, intended to offload the left ventricle (LV) and augment renal perfusion is being studied. For this application, a better understanding of the global hemodynamic response of the VAD, in essence an electrically driven pump, and the cardiovascular system is necessary. To meet this need, a model has been established as a nonlinear, lumped-parameter electrical analog, and simulated results under different states [healthy, congestive heart failure (CHF), and postinsertion of VAD] are presented. The systemic circulation is separated into five compartments and the descending aorta is composed of three components to accurately yield the system response of each section before and after the insertion of the VAD. Delays in valve closing time and blood inertia in the aorta were introduced to deliver a more realistic model. Pump governing equations and optimization are based on fundamental theories of turbomachines and can serve as a practical initial design point for rotary blood pumps. The model's results closely mimic established parameters for the circulatory system and confirm the feasibility of the intra-aortic VAD concept. This computational model can be linked with models of the pump motor to provide a valuable tool for innovative VAD design.

A controller for a miniature intra-aortic ventricular assist device.

Two control algorithms have been developed for a minimally invasive axial-flow ventricular assist device (VAD) for placement in the descending aorta. The purpose of the device is to offload the left ventricle and to augment lower body perfusion in patients with moderate congestive heart failure. The VAD consists of an intra-aortic impeller with a built-in permanent magnet rotor and an extra-aortic stator. The control algorithms, which use pressure readings upstream and downstream of the VAD to determine the pump status, have been tested in a mock circulatory system under two conditions, namely with or without afterload sensitivity. The results give an insight into controller design for an intra-aortic blood pump working in series with the heart.

Design method of an innovative motor for an intra-aortic ventricular assist device

A permanent-magnet motor has been designed for an innovative axial-flow ventricular assist device (VAD), to be placed in the descending aorta, intended to offload the left ventricle and augment renal perfusion in patients with congestive heart failure (CHF). For this application, an intra-aortic impeller with a built-in permanent magnet rotor is driven by an extraaortic stator working in synchronism with the natural heart. To meet this need, a two-dimensional analytical model has been developed in the MATLAB environment to estimate machine parameters; finite element analysis (FEA) has been used to refine the results. A prototype blood pump equipped with an innovative motor designed from the procedure above has been tested in a mock loop representing the human circulatory system. The performance of VAD incorporating the motor is presented. © 2009 IEEE.

Binding of metal ions with protein studied by a combined technique of microdialysis with liquid chromatography

A method has been developed for the determination of interactions of metal ions and protein by using microdialysis sampling technique combined with pre-column derivation and reversed-phase ion-pair liquid chromatographic (HPLC analysis. Cu(II), Zn(II) and human serum albumin (HSA) were chosen as model metal ions and protein, respectively. The mixed solutions of metal ions and HSA with different molar ratios buffered with 0.1 M Tris-HCl containing 0.1 M NaCl at pH 7.43 were sampled with a mirodialysis probe by keeping perfusion rate at 1 mul/min and the temperature at 37 degreesC. The free concentrations of metal ions in microdialysates were assayed by precolumn derivatization with meso-tetra(4-sulfophenyl)-porphyrin (TPPS4) followed ion-pair HPLC analysis. The recovery (R) of microdialysis sampling was measured in vitro under similar conditions as 65.74% for Cu(II), 70.45% for Zn(II) with R.S.D. below 3.2%. The primary binding constants and number of binding site estimated by the Scatchard plot analysis are 5.04 x 10(6) M-1 and 0.85 for Cu(II), and 9.87 x 10(6) M-1 and 1.10 for Zn(II), respectively. The competition of Cu(II) and Zn(II) at the second binding site on HSA was investigated, and it was observed that there is a second site on HSA to bind Cu(II) and Zn(II), the affinity of Cu(II) is stronger than that of Zn(II) to this second site of HSA. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Investigation of micro-devices for neurobiological applications

The aim of this project is to integrate neuronal cell culture with commercial or in-house built micro-electrode arrays and MEMS devices. The resulting device is intended to support neuronal cell culture on its surface, expose specific portions of a neuronal population to different environments using microfluidic gradients and stimulate/record neuronal electrical activity using micro-electrode arrays. Additionally, through integration of chemical surface patterning, such device can be used to build neuronal cell networks of specific size, conformation and composition. The design of this device takes inspiration from the nervous system because its development and regeneration are heavily influenced by surface chemistry and fluidic gradients. Hence, this device is intended to be a step forward in neuroscience research because it utilizes similar concepts to those found in nature. The large part of this research revolved around solving technical issues associated with integration of biology, surface chemistry, electrophysiology and microfluidics. Commercially available microelectrode arrays (MEAs) are mechanically and chemically brittle making them unsuitable for certain surface modification and micro-fluidic integration techniques described in the literature. In order to successfully integrate all the aspects into one device, some techniques were heavily modified to ensure that their effects on MEA were minimal. In terms of experimental work, this thesis consists of 3 parts. The first part dealt with characterization and optimization of surface patterning and micro-fluidic perfusion. Through extensive image analysis, the optimal conditions required for micro-contact printing and micro-fluidic perfusion were determined. The second part used a number of optimized techniques and successfully applied these to culturing patterned neural cells on a range of substrates including: Pyrex, cyclo-olefin and SiN coated Pyrex. The second part also described culturing neurons on MEAs and recording electrophysiological activity. The third part of the thesis described integration of MEAs with patterned neuronal culture and microfluidic devices. Although integration of all methodologies proved difficult, a large amount of data relating to biocompatibility, neuronal patterning, electrophysiology and integration was collected. Original solutions were successfully applied to solve a number of issues relating to consistency of micro printing and microfluidic integration leading to successful integration of techniques and device components.