Post on 31-Dec-2015
description
Biomedical Engineering
University of Wisconsin-Madison
Eric Lee, John Harrison, Albert Kwansa, Jacqueline Wong, Miguel Benson
Definition of BME
• Development and manufacture of prostheses, medical devices, diagnostic devices, drugs and other therapies
• Combines expertise of engineering with medical needs for the progress of health care
BME Overview
Biomechanics• Application of mechanical principles to the
study of human body movements
• Muscles, bones, tendons, and ligamentso Anatomy, microstructure
• Static and dynamic analyses of force profileo Stress, strain, coordination, power output
Biomechanics Example: broken leg
Anatomy Microstructure
http://academic.wsc.edu/faculty/jatodd1/351/tibia_fibula.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/Illu_compact_spongy_bone.jpg
Biomechanics Fracture Schematics
Behave like cement
Good in compression
Poor in tension
Low tolerance for torsion
FragmentButterfly Cut
X-ray Electromagnetic wave and perform radiation Radiation pass through patient and some are
being absorbed Image are created on detector by radiation that
pass through the subject
X-ray Applications Cardiovascular system Skeletal system Soft tissue (e.g. lung)
Ultrasonography A sound wave is produced.
Sound wave is reflected and forming echo from layers between different tissues.
Sound wave is changed to electrical pulses for image production.
Ultrasonography Applications
Muscle and soft tissue Obstetric sonography
http://zoot.radiology.wisc.edu/ www.medical.philips.com
MRI (Magnetic Resonance Imaging)
Polarize (align spin) of H2 atoms in body
Disrupt spins at one “slice” of body
Measure energy given off as atoms realign
Detects concentration of H2 atoms
MRI Application Soft tissue
imaging Use of contrast Combined with
CT info
CT (Computed Tomography)
Scanner looks much like MRI scanner
Takes many X-rays around body
Properties much like X-ray Image from density of
material Typically used for
skeletal imaging
CT Application Form 2-D and 3-D
images from X-rays
Can use contrasts as well to enhance image of soft tissue
Biomaterials Any foreign material that comes into
contact with a biological system
Diverse area of Biomedical Engineering Cancer drug delivery Tissue engineering Cell implantation
Micro-encapsulation Challenge: Re-establish testosterone level
Solution: Insert testosterone producing cells
Cell Viability
Cell viability and function must be preserved long term.
Micro-encapsulation provides a defense and preserves cell function.
Hydrogel
Capsule material:
Chemical composition:
Physical characteristics:
Hydrogel
Polyethylene GlycolHO-(CH2-CH2-O)n-H
Cell
Microcapsule ParametersSize exclusion via mesh size
Testosterone, Wastes
LH, FSH, O2, Nutrients
Antibodies
Microcapsule Size
Biocompatibility Degradation
Tissue Engineering (TE)
TE involves the development of biological substitutes to restore or replace lost tissue function (Langer and Vacanti, 1993).
TE Motivation Divergence between the supply and
demand of organ & tissue replacements.
Current methods low supply, immune rejection, and inability to repair and develop.
Major goals of TE: Provide living biological replacements Tissue physiology & pathology Pharmaceutical testing
TE Approach: Cell Source
Cells + Scaffold
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
Cells + Scaffold + Bioreactor
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
O
O
OCH
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
OCH
O
CH
OO
O O
O
O
O
CH
O
CH
O
O
O
O
O
O
O
CH
O
CH2O
O
O
O
CH
O
O
O
CH
O
CH
O
O
CH2
O
CH
OO
O
O
CH2
OO
O
CH2
O
CH
O
Growth Factors + Scaffold
TE Range
Bone, Cartilage, Tendon
Liver, Pancreas,
Kidney
MuscleSkinNerve
Cardiac TE – heart valve, myocardium Metabolic TE – liver, bladder, pancreas
Musculoskeletal TE – bone, cartilage Neural TE – nerve guidance channel for PNS
TE Examples
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Woven_bone_matrix.jpg
Proximal Distal
http://www.chir.unizh.ch/cardio/cardiotext/tissueengineering.html (Hoerstrup et al. Circulation 2002)
Graduate School
Common Post-graduate Paths
Bachelor’s Degree
Industry Academia
Master’s Degree
Doctorate
Professional Schools•Medical School•Dental School•Law School•Business School
Combined ProgramsMedical & Graduate School (M.D./Ph.D.)
Questions