Design and performance assessment of aortic heart valve for tissue engineering

Current artificial heart valves are classified as mechanical and bioprosthetic. An appealing pathway that promises to overcome the shortcomings of commercially available heart valves is offered by the interdisciplinary approach of cardiovascular tissue engineering. However, the mechanical properties of the Tissue Engineering Heart Valves (TEHV) are limited and generally fail in the long-term use. To meet this performance challenge novel biodegradable triblock copolymer poly(ethylene oxide)-polypropylene oxide)-poly(ethylene oxide) (PEO-PPO-PEO or F108) crosslinked to Silk Fibroin (F108-SilkC) to be used as tri-leaflet heart valve material was investigated. ^ Synthesis of ten polymers with varying concentration and thickness (55 µm, 75 µm and 100 µm) was achieved via a covalent crosslinking scheme using bifunctional polyethylene glycol diglycidyl ether (PEGDE). Static and fatigue testing were used to assess mechanical properties of films, and hydrodynamic testing was performed to determine performance under a simulated left ventricular flow regime. The crosslinked copolymer (F108-Silk C) showed greater flexibility and resilience, but inferior ultimate tensile strength, by increasing concentration of PEGDE. Concentration molar ratio of 80:1 (F108: Silk) and thickness of 75 µm showed longer fatigue life for both tension-tension and bending fatigue tests. Four valves out of twelve designed satisfactorily complied with minimum performance requirement ISO 5840, 2005. ^ In conclusion, it was demonstrated that the applicability of a degradable polymer in conjugation with silk fibroin for tissue engineering cardiovascular use, specifically for aortic valve leaflet design, met the performance demands. Thinner thicknesses (t<75 µm) in conjunction with stiffness lower than 320 MPa (80:1, F108: Silk) are essential for the correct functionality of proposed heart valve biomaterial F108-SilkC. Fatigue tests were demonstrated to be a useful tool to characterize biomaterials that undergo cyclic loading. ^

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Études d'ingénierie du ribozyme VS de Neurospora

Les ribozymes sont des ARN catalytiques fréquemment exploités pour le développement d’outils biochimiques et d’agents thérapeutiques. Ils sont particulièrement intéressants pour effectuer l’inactivation de gènes, en permettant la dégradation d’ARNm ou d’ARN viraux associés à des maladies. Les ribozymes les plus utilisés en ce moment pour le développement d’agents thérapeutiques sont les ribozymes hammerhead et hairpin, qui permettent la reconnaissance spécifique d’ARN simple brin par la formation de structures secondaires stables. In vivo, la majorité des ARN adoptent des structures secondaires et tertiaires complexes et les régions simples brins sont parfois difficiles d’accès. Il serait intéressant de pouvoir cibler des ARN repliés et un motif d’ARN intéressant à cibler est la tige-boucle d’ARN qui peut être importante dans le repliement global des ARN et pour accomplir des fonctions biologiques. Le ribozyme VS de Neurospora fait la reconnaissance de son substrat replié en tigeboucle de façon spécifique par une interaction kissing-loop, mais il n’a jamais été exploité pour faire la reconnaissance d’un ARN cible très différent de son substrat naturel. Le but des travaux présentés dans cette thèse est de déterminer si le ribozyme VS possède l’adaptabilité nécessaire pour l’ingénierie de ribozymes qui clivent des ARN cibles différents du substrat naturel. Dans le cadre de cette thèse, le ribozyme VS a été modifié pour l’adapter à différents substrats et des études de cinétiques ont été réalisées pour évaluer l’impact de ces modifications sur l’activité de clivage du ribozyme. Dans un premier temps, le ribozyme a été modifié pour faire la reconnaissance et le clivage de substrats possédant différentes longueurs de tiges Ib. Le ribozyme a été adapté avec succès à ces substrats de différentes longueurs de tige Ib, avec une activité qui est similaire à celle du ribozyme avec un substrat sans modification. Dans un deuxième temps, c’est l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme qui a été substituée de façon rationnelle, dans le but de savoir si un ribozyme VS mutant peut reconnaitre et cliver un substrat ayant une boucle différente de celle de son substrat naturel. L’interaction kissing-loop I/V a été substituée pour les interactions kissing-loop TAR/TAR* de l’ARN du VIH-1 et L22/L88 de l’ARN 23S de Deinococcus radiodurans. La réaction de iii clivage des ribozymes comportant ces nouvelles interactions kissing-loop est toujours observée, mais avec une activité diminuée. Finalement, la sélection in vitro (SELEX) de ribozymes a été effectuée pour permettre un clivage plus efficace d’un substrat mutant avec une nouvelle boucle. Le SELEX a permis la sélection d’un ribozyme qui clive un substrat avec une boucle terminale mutée pour celle de l’ARN TAR du VIH-1 et cela avec une activité de clivage très efficace. L’ensemble de ces études démontre que le ribozyme VS peut être modifié de diverses façons pour la reconnaissance spécifique de différents substrats, tout en conservant une bonne activité de clivage. Ces résultats montrent le grand potentiel d’ingénierie du ribozyme VS et sont prometteurs pour la poursuite d’études d’ingénierie du ribozyme VS, en vue du clivage d’ARN cibles repliés en tige-boucle complètement différents du substrat naturel du ribozyme VS.

Nucleic Acid Diagnostics using Isotachophoresis and Isothermal Amplification

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Études d'ingénierie du ribozyme VS de Neurospora

Les ribozymes sont des ARN catalytiques fréquemment exploités pour le développement d’outils biochimiques et d’agents thérapeutiques. Ils sont particulièrement intéressants pour effectuer l’inactivation de gènes, en permettant la dégradation d’ARNm ou d’ARN viraux associés à des maladies. Les ribozymes les plus utilisés en ce moment pour le développement d’agents thérapeutiques sont les ribozymes hammerhead et hairpin, qui permettent la reconnaissance spécifique d’ARN simple brin par la formation de structures secondaires stables. In vivo, la majorité des ARN adoptent des structures secondaires et tertiaires complexes et les régions simples brins sont parfois difficiles d’accès. Il serait intéressant de pouvoir cibler des ARN repliés et un motif d’ARN intéressant à cibler est la tige-boucle d’ARN qui peut être importante dans le repliement global des ARN et pour accomplir des fonctions biologiques. Le ribozyme VS de Neurospora fait la reconnaissance de son substrat replié en tigeboucle de façon spécifique par une interaction kissing-loop, mais il n’a jamais été exploité pour faire la reconnaissance d’un ARN cible très différent de son substrat naturel. Le but des travaux présentés dans cette thèse est de déterminer si le ribozyme VS possède l’adaptabilité nécessaire pour l’ingénierie de ribozymes qui clivent des ARN cibles différents du substrat naturel. Dans le cadre de cette thèse, le ribozyme VS a été modifié pour l’adapter à différents substrats et des études de cinétiques ont été réalisées pour évaluer l’impact de ces modifications sur l’activité de clivage du ribozyme. Dans un premier temps, le ribozyme a été modifié pour faire la reconnaissance et le clivage de substrats possédant différentes longueurs de tiges Ib. Le ribozyme a été adapté avec succès à ces substrats de différentes longueurs de tige Ib, avec une activité qui est similaire à celle du ribozyme avec un substrat sans modification. Dans un deuxième temps, c’est l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme qui a été substituée de façon rationnelle, dans le but de savoir si un ribozyme VS mutant peut reconnaitre et cliver un substrat ayant une boucle différente de celle de son substrat naturel. L’interaction kissing-loop I/V a été substituée pour les interactions kissing-loop TAR/TAR* de l’ARN du VIH-1 et L22/L88 de l’ARN 23S de Deinococcus radiodurans. La réaction de iii clivage des ribozymes comportant ces nouvelles interactions kissing-loop est toujours observée, mais avec une activité diminuée. Finalement, la sélection in vitro (SELEX) de ribozymes a été effectuée pour permettre un clivage plus efficace d’un substrat mutant avec une nouvelle boucle. Le SELEX a permis la sélection d’un ribozyme qui clive un substrat avec une boucle terminale mutée pour celle de l’ARN TAR du VIH-1 et cela avec une activité de clivage très efficace. L’ensemble de ces études démontre que le ribozyme VS peut être modifié de diverses façons pour la reconnaissance spécifique de différents substrats, tout en conservant une bonne activité de clivage. Ces résultats montrent le grand potentiel d’ingénierie du ribozyme VS et sont prometteurs pour la poursuite d’études d’ingénierie du ribozyme VS, en vue du clivage d’ARN cibles repliés en tige-boucle complètement différents du substrat naturel du ribozyme VS.

Integration of virus-like particle macromolecular bioreceptors in electrochemical biosensors

Rapid, sensitive and selective detection of chemical hazards and biological pathogens has shown growing importance in the fields of homeland security, public safety and personal health. In the past two decades, efforts have been focusing on performing point-of-care chemical and biological detections using miniaturized biosensors. These sensors convert target molecule binding events into measurable electrical signals for quantifying target molecule concentration. However, the low receptor density and the use of complex surface chemistry in receptors immobilization on transducers are common bottlenecks in the current biosensor development, adding to the cost, complexity and time. This dissertation presents the development of selective macromolecular Tobacco mosaic virus-like particle (TMV VLP) biosensing receptor, and the microsystem integration of VLPs in microfabricated electrochemical biosensors for rapid and performance-enhanced chemical and biological sensing. Two constructs of VLPs carrying different receptor peptides targeting at 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) explosive or anti-FLAG antibody are successfully bioengineered. The VLP-based TNT electrochemical sensor utilizes unique diffusion modulation method enabled by biological binding between target TNT and receptor VLP. The method avoids the influence from any interfering species and environmental background signals, making it extremely suitable for directly quantifying the TNT level in a sample. It is also a rapid method that does not need any sensor surface functionalization process. For antibody sensing, the VLPs carrying both antibody binding peptides and cysteine residues are assembled onto the gold electrodes of an impedance microsensor. With two-phase immunoassays, the VLP-based impedance sensor is able to quantify antibody concentrations down to 9.1 ng/mL. A capillary microfluidics and impedance sensor integrated microsystem is developed to further accelerate the process of VLP assembly on sensors and improve the sensitivity. Open channel capillary micropumps and stop-valves facilitate localized and evaporation-assisted VLP assembly on sensor electrodes within 6 minutes. The VLP-functionalized impedance sensor is capable of label-free sensing of antibodies with the detection limit of 8.8 ng/mL within 5 minutes after sensor functionalization, demonstrating great potential of VLP-based sensors for rapid and on-demand chemical and biological sensing.

Development of a lab-on-a-chip device for rapid nanotoxicity assessment in vitro

Increasing useof nanomaterials in consumer products and biomedical applications creates the possibilities of intentional/unintentional exposure to humans and the environment. Beyond the physiological limit, the nanomaterialexposure to humans can induce toxicity. It is difficult to define toxicity of nanoparticles on humans as it varies by nanomaterialcomposition, size, surface properties and the target organ/cell line. Traditional tests for nanomaterialtoxicity assessment are mostly based on bulk-colorimetric assays. In many studies, nanomaterials have found to interfere with assay-dye to produce false results and usually require several hours or days to collect results. Therefore, there is a clear need for alternative tools that can provide accurate, rapid, and sensitive measure of initial nanomaterialscreening. Recent advancement in single cell studies has suggested discovering cell properties not found earlier in traditional bulk assays. A complex phenomenon, like nanotoxicity, may become clearer when studied at the single cell level, including with small colonies of cells. Advances in lab-on-a-chip techniques have played a significant role in drug discoveries and biosensor applications, however, rarely explored for nanomaterialtoxicity assessment. We presented such cell-integrated chip-based approach that provided quantitative and rapid response of cellhealth, through electrochemical measurements. Moreover, the novel design of the device presented in this study was capable of capturing and analyzing the cells at a single cell and small cell-population level. We examined the change in exocytosis (i.e. neurotransmitterrelease) properties of a single PC12 cell, when exposed to CuOand TiO2 nanoparticles. We found both nanomaterials to interfere with the cell exocytosis function. We also studied the whole-cell response of a single-cell and a small cell-population simultaneously in real-time for the first time. The presented study can be a reference to the future research in the direction of nanotoxicity assessment to develop miniature, simple, and cost-effective tool for fast, quantitative measurements at high throughput level. The designed lab-on-a-chip device and measurement techniques utilized in the present work can be applied for the assessment of othernanoparticles' toxicity, as well.^

Kinetic analysis of metal uptake by dry and gel alginate particles

The kinetics of metal uptake by gel and dry calcium alginate beads was analysed using solutions of copper or lead ions. Gel beads sorbed metal ions faster than the dry ones and larger diffusivities of metal ions were calculated for gel beads: approximately 10−4 cm2/min vs. 10−6 cm2/min for dry beads. In accordance, scanning electron microscopy and nitrogen adsorption data revealed a low porosity of dry alginate particles. However, dry beads showed higher sorption capacities and a mechanical stability more suitable for large-scale use. Two sorption models were fitted to the kinetic results: the Lagergren pseudo-first order and the Ho and McKay pseudo-second order equations. The former was found to be the most adequate to model metal uptake by dry alginate beads and kinetic constants in the orders of 10−3 and 10−2 min−1 were obtained for lead solutions with concentrations up to 100 g/m3. The pseudo-first order model was also found to be valid to describe biosorbent operation with a real wastewater indicating that it can be used to design processes of metal sorption with alginate-based materials.

Relationship Between Eccentric Hip Torque and Lower-Limb Kinematics: Gender Differences

The purposes of this study were to compare lower-limb kinematics between genders, and determine the relationships among eccentric hip abductor and lateral rotator torques and lower-limb kinematics. The movements of the pelvis, femur, and knee were calculated for 16 women and 16 men during the single-leg squat. Eccentric hip abductor and lateral rotator torques were measured using an isokinetic dynamometer. The results showed that women had greater contralateral pelvic depression, femur adduction, and knee abduction than men. The eccentric hip abductor and lateral rotator torques were correlated with coronal plane femur and knee movements in the overall sample. When the genders were analyzed separately, it was observed that women with greater eccentric hip abductor torque exhibited less femur adduction and femur medial rotation, and greater knee adduction excursion. No significant relationship was observed between the isokinetic and kinematic variables in the male group. The differences between the genders help to explain the greater rate of knee disorders observed in women. Moreover, the eccentric hip abduction action seemed to be more important in women to control the lower-limb movements.

Gait kinematic analysis in patients with a mild form of central cord syndrome

Background: Central cord syndrome (CCS) is considered the most common incomplete spinal cord injury (SCI). Independent ambulation was achieved in 87-97% in young patients with CCS but no gait analysis studies have been reported before in such pathology. The aim of this study was to analyze the gait characteristics of subjects with CCS and to compare the findings with a healthy age, sex and anthropomorphically matched control group (CG), walking both at a self-selected speed and at the same speed. Methods: Twelve CCS patients and a CG of twenty subjects were analyzed. Kinematic data were obtained using a three-dimensional motion analysis system with two scanner units. The CG were asked to walk at two different speeds, at a self-selected speed and at a slower one, similar to the mean gait speed previously registered in the CCS patient group. Temporal, spatial variables and kinematic variables (maximum and minimum lower limb joint angles throughout the gait cycle in each plane, along with the gait cycle instants of occurrence and the joint range of motion ROM) were compared between the two groups walking at similar speeds. Results: The kinematic parameters were compared when both groups walked at a similar speed, given that there was a significant difference in the self-selected speeds (p < 0.05). Hip abduction and knee flexion at initial contact, as well as minimal knee flexion at stance, were larger in the CCS group (p < 0.05). However, the range of knee and ankle motion in the sagittal plane was greater in the CG group (p < 0.05). The maximal ankle plantar-flexion values in stance phase and at toe off were larger in the CG (p < 0.05). Conclusions: The gait pattern of CCS patients showed a decrease of knee and ankle sagittal ROM during level walking and an increase in hip abduction to increase base of support. The findings of this study help to improve the understanding how CCS affects gait changes in the lower limbs.

Vibration-induced extra torque during electrically-evoked contractions of the human calf muscles

Background: High-frequency trains of electrical stimulation applied over the lower limb muscles can generate forces higher than would be expected from a peripheral mechanism (i.e. by direct activation of motor axons). This phenomenon is presumably originated within the central nervous system by synaptic input from Ia afferents to motoneurons and is consistent with the development of plateau potentials. The first objective of this work was to investigate if vibration (sinusoidal or random) applied to the Achilles tendon is also able to generate large magnitude extra torques in the triceps surae muscle group. The second objective was to verify if the extra torques that were found were accompanied by increases in motoneuron excitability. Methods: Subjects (n = 6) were seated on a chair and the right foot was strapped to a pedal attached to a torque meter. The isometric ankle torque was measured in response to different patterns of coupled electrical (20-Hz, rectangular 1-ms pulses) and mechanical stimuli (either 100-Hz sinusoid or gaussian white noise) applied to the triceps surae muscle group. In an additional investigation, M(max) and F-waves were elicited at different times before or after the vibratory stimulation. Results: The vibratory bursts could generate substantial self-sustained extra torques, either with or without the background 20-Hz electrical stimulation applied simultaneously with the vibration. The extra torque generation was accompanied by increased motoneuron excitability, since an increase in the peak-to-peak amplitude of soleus F waves was observed. The delivery of electrical stimulation following the vibration was essential to keep the maintained extra torques and increased F-waves. Conclusions: These results show that vibratory stimuli applied with a background electrical stimulation generate considerable force levels (up to about 50% MVC) due to the spinal recruitment of motoneurons. The association of vibration and electrical stimulation could be beneficial for many therapeutic interventions and vibration-based exercise programs. The command for the vibration-induced extra torques presumably activates spinal motoneurons following the size principle, which is a desirable feature for stimulation paradigms.

Shoulder Muscular Activity During Isometric Three-Point Kneeling Exercise on Stable and Unstable Surfaces

The purpose of this study was to determine if performing isometric 3-point kneeling exercises on a Swiss ball influenced the isometric force output and EMG activities of the shoulder muscles when compared with performing the same exercises on a stable base of support. Twenty healthy adults performed the isometric 3-point kneeling exercises with the hand placed either on a stable surface or on a Swiss ball. Surface EMG was recorded from the posterior deltoid, pectoralis major, biceps brachii, triceps brachii, upper trapezius, and serratus anterior muscles using surface differential electrodes. All EMG data were reported as percentages of the average root mean square (RMS) values obtained in maximum voluntary contractions for each muscle studied. The highest load value was obtained during exercise on a stable surface. A significant increase was observed in the activation of glenohumeral muscles during exercises on a Swiss ball. However, there were no differences in EMG activities of the scapulothoracic muscles. These results suggest that exercises performed on unstable surfaces may provide muscular activity levels similar to those performed on stable surfaces, without the need to apply greater external loads to the musculoskeletal system. Therefore, exercises on unstable surfaces may be useful during the process of tissue regeneration.

Development and mechanical testing of a short intramedullary nail for fixation of femoral rotational osteotomy in cerebral palsy patients

Background: Rotational osteotomy is frequently indicated to correct excessive femoral anteversion in cerebral palsy patients. Angled blade plate is the standard fixation device used when performed in the proximal femur, but extensile exposure is required for plate accommodation. The authors developed a short locked intramedullary nail to be applied percutaneously in the fixation of femoral rotational osteotomies in children with cerebral palsy and evaluated its mechanical properties. Methods: The study was divided into three stages. In the first part, a prototype was designed and made based on radiographic measurements of the femoral medullary canal of ten-year-old patients. In the second, synthetic femoral models based on rapid-prototyping of 3D reconstructed images of patients with cerebral palsy were obtained and were employed to adjust the nail prototype to the morphological changes observed in this disease. In the third, rotational osteotomies were simulated using synthetic femoral models stabilized by the nail and by the AO-ASIF fixed-angle blade plate. Mechanical testing was done comparing both devices in bending-compression and torsion. Results: The authors observed proper adaptation of the nail to normal and morphologically altered femoral models, and during the simulated osteotomies. Stiffness in bending-compression was significantly higher in the group fixed by the plate (388.97 +/- 57.25 N/mm) than in that fixed by the nail (268.26 +/- 38.51 N/mm) as torsional relative stiffness was significantly higher in the group fixed by the plate (1.07 +/- 0.36 Nm/degrees) than by the nail (0.35 +/- 0.13 Nm/degrees). Conclusions: Although the device presented adequate design and dimension to fit into the pediatric femur, mechanical tests indicated that the nail was less stable than the blade plate in bending-compression and torsion. This may be a beneficial property, and it can be attributed to the more flexible fixation found in intramedullary devices.