Biological microelectromechanical systems (bioMEMS) devices

Comprehensive Biomaterials

Volumn 3, Issue , 2011, Pages 257-276

  Ting, L H ^a   Sniadecki, N J ^a  

^a UNIVERSITY OF WASHINGTON   (United States)

Author keywords

Biological microelectromechanical systems (BioMEMS); Cell culture; Cytoskeleton; Extracellular matrix; Focal adhesion; Mechanotransduction; Microfluidics; Microposts; Morphogenesis; Optical tweezers; Stiffness; Traction force

Indexed keywords

ELECTROMECHANICAL DEVICES;

MEMS;

EID: 84873160199     PISSN: None     EISSN: None     Source Type: Book    
DOI: None     Document Type: Chapter

References (152)

1. Norman, J. J.; Mukundan, V.; Bernstein, D.; Pruitt, B. L. Pediatr. Res. 2008,63, 576-583.
2. Sniadecki, N. J.; Desai, R. A.; Ruiz, S. A.; Chen, C. S. Ann. Biomed. Eng. 2006, 34, 59-74.
3. Geiger, B.; Spatz, J. P.; Bershadsky, A. D. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2009,10, 21-33.
4. Hahn, C.; Schwartz, M. A. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2009,10, 53-62.
5. Lo, C. M.; Wang, H. B.; Dembo, M.; Wang, Y. L. Biophys. J. 2000,79,144-152.
6. Thery, M.; Racine, V.; Pepin, A.; et al. Nat. Cell Biol. 2005, 7, 947-953.
7. Engler, A. J.; Sen, S.; Sweeney, H. L.; Discher, D. E. Cell 2006, 126, 677-689.
8. Mcbeath, R.; Pirone, D. M.; Nelson, C. M.; Bhadriraju, K.; Chen, C. S. Dev. Cell 2004, 6, 483-495.
9. Chen, C. S.; Mrksich, M.; Huang, S.; Whitesides, G. M.; Ingber, D. E. Science 1997,276,1425-1428.
10. Klein, E. A.; Yin, L.; Kothapalli, D.; et al. Curr. Biol. 2009, 19,1511-1518.
11. Giancotti, F. G.; Ruoslahti, E. Science 1999,285,1028-1032.
12. Garcia, A. J.; Huber, F.; Boettiger, D. J. Biol. Chem. 1998,273,10988-10993.
13. Geiger, B.; Bershadsky, A.; Pankov, R.; Yamada, K. M. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2001,2, 793-805.
14. Burridge, K.; Wennerberg, K. Cell 2004,116,167-179.
15. Winder, S. J.; Ayscough, K. R. J. Cell Sci. 2005,118, 651-654.
16. Bray, D. Cell Movements: From Molecules to Motility. Garland: New York, 2001.
17. Pellegrin, S.; Mellor, H. J. Cell Sci. 2007,120, 3491-3499.
18. Zaidel-Bar, R.; Geiger, B. J. Cell Sci. 2010,123,1385-1388.
19. Ridley, A. J.; Hall, A. Cell 1992, 70, 389-399.
20. Ren, X. D.; Kiosses, W. B.; Sieg, D. J.; Otey, C. A.; Schlaepfer, D. D.; Schwartz, M. A. J. Cell Sci. 2000,113(Pt 20), 3673-3678.
21. Lorenzo, A. C.; Caffarena, E. R. J. Biomech. 2005,38,1527-1533.
22. Ethier, C. R.; Simmons, C. A. Introductory Biomechanics from Cellsto Organisms. Cambridge University Press: Cambridge, New York, 2007.
23. Suki, B.; Ito, S.; Stamenovic, D.; Lutchen, K. R.; Ingenito, E. P. J. Appl. Physiol. 2005, 98, 1892-1899.
24. Budynas, R. G.; Keith Nisbett, J. Shiglefs Mechanical Engineering Design. McGraw-Hill: New York, 2008.
25. Vogel, V. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2006,35, 459-488.
26. Vogel, V.; Sheetz, M. P. Curr. Opin. Cell Biol. 2009,21, 38-46.
27. Pelham, R. J., Jr.; Wang, Y. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1997,94,13661-13665.
28. Jacot, J. G.; Mcculloch, A. D.; Omens, J. H. Biophys. J. 2008, 95, 3479-3487.
29. Cukierman, E.; Pankov, R.; Stevens, D. R.; Yamada, K. M. Science 2001,294, 1708-1712.
30. Harris, A. K.; Wild, P.; Stopak, D. Science 1980,208,177-179.
31. Chrzanowska-Wodnicka, M.; Burridge, K. J. Cell Biol. 1996, 133,1403-1415.
32. Helfman, D. M.; Levy, E. T.; Berthier, C.; et al. Mol. Biol. Cell 1999, 10, 3097-3112.
33. Burton, K.; Taylor, D. L. Nature 1997,385, 450-454.
34. Harris, A. K.; Stopak, D.; Wild, P. Nature 1981,290, 249-251.
35. Lee, J.; Leonard, M.; Oliver, T.; Ishihara, A.; Jacobson, K. J. Cell Biol. 1994,127, 1957-1964.
36. Dembo, M.; Oliver, T.; Ishihara, A.; Jacobson, K. Biophys. J. 1996, 70, 2008-2022.
37. Dembo, M.; Wang, Y. L. Biophys. J. 1999, 76, 2307-2316.
38. Rajagopalan, P.; Marganski, W. A.; Brown, X. Q.; Wong, J. Y. Biophys. J. 2004, 87, 2818-2827.
39. Reinhart-King, C. A.; Dembo, M.; Hammer, D. A. Mol. Biol. Cell 2004,15,174a.
40. Munevar, S.; Wang, Y.; Dembo, M. Biophys. J. 2001,80,1744-1757.
41. Balaban, N. Q.; Schwarz, U. S.; Riveline, D.; et al. Nat. Cell Biol. 2001,3, 466-472.
42. Shroff, S. G.; Saner, D. R.; Lal, R. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 1995,38, C286-C292.
43. Yuan, Y.; Verma, R. Colloids Surf. B Biointerfaces 2006, 48, 6-12.
44. Lal, R.; Drake, B.; Blumberg, D.; Saner, D. R.; Hansma, P. K.; Feinstein, S. C. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 1995,38, C275-C285.
45. Lal, R.; John, S. A. Am.J. Physiol. 1994,266, C1.
46. Galbraith, C. G.; Sheetz, M. P. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1997,94,9114-9118.
47. Tan, J. L.; Tien, J.; Pirone, D. M.; Gray, D. S.; Bhadriraju, K.; Chen, C. S. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 100,1484-1489.
48. Zhou, J.; Ellis, A. V.; Voelcker, N. H. Electrophoresis 2010,31, 2-16.
49. Mata, A.; Fleischman, A. J.; Roy, S. Biomed. Microdevices 2005, 7, 281-293.
50. Duffy, D. C.; McDonald, J. C.; Schueller, O. J. A.; Whitesides, G. M. Anal. Chem. 1998, 70, 4974-4984.
51. Tan, A.; Rodgers, K.; Murrihy, J.; O'Mathuna, C.; Glennon, J. D. Lab Chip 2001, 1, 7-9.
52. Slentz, B. E.; Penner, N. A.; Lugowska, E.; Regnier, F. Electrophoresis 2001, 22, 3736-3743.
53. Lemmon, C. A.; Sniadecki, N. J.; Ruiz, S. A.; Tan, J. L.; Romer, L. H.; Chen, C. S. Mech. Chem. Biosyst. 2005,2,1-16.
54. Sniadecki, N. J.; Lamb, C. M.; Liu, Y.; Chen, C. S.; Reich, D. H. Rev. Sci. Instrum. 2008, 79, 044302.
55. Addae-Mensah, K. A.; Kassebaum, N. J.; Bowers, M. J.; et al. Sens. Actuators A Phys. 2007, 136, 385-397.
56. Du Roure, O.; Saez, A.; Buguin, A.; et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 2390-2395.
57. Li, B.; Xie, L.; Starr, Z. C.; Yang, Z.; Lin, J. S.; Wang, J. H. Cell Motil. Cytoskeleton 2007, 64, 509-518.
58. Saez, A.; Buguin, A.; Silberzan, P.; Ladoux, B. Biophys. J. 2005,89, L52-L54.
59. Saez, A.; Ghibaudo, M.; Buguin, A.; Silberzan, P.; Ladoux, B. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 8281-8286.
60. Kajzar, A.; Cesa, C. M.; Kirchgessner, N.; Hoffmann, B.; Merkel, R. Biophys. J. 2008, 94, 1854-1866.
61. Legant, W. R.; Pathak, A.; Yang, M. T.; Deshpande, V. S.; Mcmeeking, R. M.; Chen, C. S. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009,106,10097-10102.
62. Liang, X. M.; Han, S. J.; Reems, J. A.; Gao, D.; Sniadecki, N. J. Lab Chip 2010, 10, 991-998.
63. Yang, M. T.; Sniadecki, N. J.; Chen, C. S. Adv. Mater. 2007, 19, 3119.
64. Nelson, C. M.; Jean, R. P.; Tan, J. L.; et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005,102, 11594-11599.
65. Liu, Z.; Tan, J. L.; Cohen, D. M.; et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 9944-9949.
66. Liu, Z. J.; Sniadecki, N. J.; Chen, C. S. Cell. Mol. Bioeng. 2010,3, 50-59.
67. Fletcher, D. A.; Mullins, R. D. Nature 2010,463, 485-492.
68. Mammoto, T.; Ingber, D. E. Development 2010,137,1407-1420.
69. Kaunas, R.; Nguyen, P.; Usami, S.; Chien, S. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 15895-15900.
70. Sawada, Y.; Sheetz, M. P. J. Cell Biol. 2002,156, 609-615.
71. Giannone, G.; Sheetz, M. P. Trends Cell Biol. 2006, 16, 213-223.
72. Riveline, D.; Zamir, E.; Balaban, N. Q.; et al. J. Cell Biol. 2001,153,1175-1186.
73. Radmacher, M.; Tillmann, R. W.; Gaub, H. E. Biophys. J. 1993, 64, 735-742.
74. Yang, S.; Saif, T. Rev. Sci. Instrum. 2005, 76, 044301-044301-8.
75. Siechen, S.; Yang, S. Y.; Chiba, A.; Saif, T. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009,106, 12611-12616.
76. Wang, N.; Butler, J. P.; Ingber, D. E. Science 1993,260,1124-1127.
77. Matthews, B. D.; Overby, D. R.; Alenghat, F. J.; et al. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004,313, 758-764.
78. Matthews, B. D.; Overby, D. R.; Mannix, R.; Ingber, D. E. J. Cell Sci. 2006,119, 508-518.
79. Na, S.; Wang, N. Sci. Signal. 2008, 1, l1.
80. Hu, S.; Chen, J.; Fabry, B.; et al. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 2003,285, C1082-C1090.
81. Potard, U. S.; Butler, J. P.; Wang, N. Am. J. Physiol. 1997,272, C1654-C1663.
82. Le Duc, Q.; Shi, Q.; Blonk, I.; et al. J. Cell Biol. 2010, 189,1107-1115.
83. Chen, C. S.; Tan, J.; Tien, J. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2004, 6, 275-302.
84. Choquet, D.; Felsenfeld, D. P.; Sheetz, M. P. Cell 1997,88, 39-48.
85. Galbraith, C. G.; Yamada, K. M.; Sheetz, M. P. J. Cell Biol. 2002,159, 695-705.
86. Jiang, G.; Giannone, G.; Critchley, D. R.; Fukumoto, E.; Sheetz, M. P. Nature 2003, 424, 334-337.
87. Wang, Y.; Botvinick, E. L.; Zhao, Y.; et al. Nature 2005, 434,1040-1045.
88. Nambiar, R.; McConnell, R. E.; Tyska, M. J. Proc. Natl.Acad. Sci. USA 2009, 106,11972-11977.
89. Guck, J.; Ananthakrishnan, R.; Moon, T. J.; Cunningham, C. C.; Kas, J. Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 5451-5454.
90. Meiners, J. C.; Quake, S. R. Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 5014-5017.
91. Moffitt, J. R.; Chemla, Y. R.; Izhaky, D.; Bustamante, C. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 9006-9011.
92. Finer, J. T.; Simmons, R. M.; Spudich, J. A. Nature 1994,368,113-119.
93. Arsenault, M. E.; Sun, Y.; Bau, H. H.; Goldman, Y. E. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 4834-4839.
94. Beausang, J. F.; Schroeder, H. W., III; Nelson, P. C.; Goldman, Y. E. Biophys. J. 2008, 95, 5820-5831.
95. Sniadecki, N. J.; Anguelouch, A.; Yang, M. T.; et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104,14553-14558.
96. Trepat, X.; Deng, L.; An, S. S.; et al. Nature 2007,447, 592-595.
97. Krishnan, R.; Park, C. Y.; Lin, Y. C.; et al. PLoS One 2009,4, e5486.
98. Colombelli, J.; Besser, A.; Kress, H.; et al. J. Cell Sci. 2009,122,1665-1679.
99. Kumar, S.; Maxwell, I. Z.; Heisterkamp, A.; et al. Biophys. J. 2006, 90, 3762-3773.
100. El-Ali, J.; Sorger, P. K.; Jensen, K. F. Nature 2006,442, 403-411.
101. Masters, J. R.; Stacey, G. N. Nat. Protoc. 2007,2, 2276-2284.
102. Malek, A. M.; Alper, S. L.; Izumo, S. J. Am. Med.Assoc. 1999,282,2035-2042.
103. Cunningham, K. S.; Gotlieb, A. I. Lab. Invest. 2005,85, 9-23.
104. Garcia-Cardena, G.; Comander, J.; Anderson, K. R.; Blackman, B. R.; Gimbrone, M. A., Jr. Proc. Natl.Acad. Sci. USA 2001,98, 4478-4485.
105. Dai, G.; Kaazempur-Mofrad, M. R.; Natarajan, S.; et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101,14871-14876.
106. Steward, R. L., Jr.; Cheng, C. M.; Wang, D. L.; Leduc, P. R. Cell Biochem. Biophys. 2010,56,115-124.
107. Barbee, K. A.; Davies, P. F.; Lal, R. Circ. Res. 1994, 74,163-171.
108. Nesbitt, W. S.; Westein, E.; Tovar-Lopez, F. J.; et al. Nat. Med. 2009, 15, 665-673.
109. Rubenstein, D. A.; Yin, W. J. Thromb. Thrombolysis 2010,30, 36-45.
110. Junt, T.; Schulze, H.; Chen, Z.; et al. Science 2007,317,1767-1770.
111. Reneman, R. S.; Arts, T.; Hoeks, A. P. J. Vasc. Res. 2006, 43, 251-269.
112. Santiago, J. G.; Wereley, S. T.; Meinhart, C. D.; Beebe, D. J.; Adrian, R. J. Exp. Fluids 1998,25,316-319.
113. Wallace, C. S.; Champion, J. C.; Truskey, G. A. Ann. Biomed. Eng. 2007, 35, 375-386.
114. Frangos, J. A.; Eskin, S. G.; Mcintire, L. V.; Ives, C. L. Science 1985,227, 1477-1479.
115. Chiu, J. J.; Wang, D. L.; Chien, S.; Skalak, R.; Usami, S. J. Biomech. Eng. 1998, 120, 2-8.
116. Chau, L.; Doran, M.; Cooper-White, J. Lab Chip 2009, 9,1897-1902.
117. Li, S.; Huang, N. F.; Hsu, S. J. Cell Biochem. 2005, 96,1110-1126.
118. Poujade, M.; Grasland-Mongrain, E.; Hertzog, A.; et al. Proc. Natl.Acad. Sci. USA 2007, 104, 15988-15993.
119. Neils, C.; Tyree, Z.; Finlayson, B.; Folch, A. Lab Chip 2004,4, 342-350.
120. Rabodzey, A.; Alcaide, P.; Luscinskas, F. W.; Ladoux, B. Biophys. J. 2008, 95, 1428-1438.
121. Chung, S.; Sudo, R.; Mack, P. J.; Wan, C. R.; Vickerman, V.; Kamm, R. D. Lab Chip 2009, 9, 269-275.
122. Swartz, M. A.; Fleury, M. E. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2007, 9, 229-256.
123. Vickerman, V.; Blundo, J.; Chung, S.; Kamm, R. Lab Chip 2008,8,1468-1477.
124. Di Carlo, D.; Lee, L. P. Anal. Chem. 2006, 78, 7918-7925.
125. Mach, W. J.; Thimmesch, A. R.; Orr, J. A.; Slusser, J. G.; Pierce, J. D. J. Clin. Monit. Comput. 2010,24(4), 251-259.
126. Gomez-Sjoberg, R.; Leyrat, A. A.; Pirone, D. M.; Chen, C. S.; Quake, S. R. Anal. Chem. 2007, 79, 8557-8563.
127. Tourovskaia, A.; Figueroa-Masot, X.; Folch, A. Lab Chip 2005,5,14-19.
128. Lee, P. J.; Hung, P. J.; Shaw, R.; Jan, L.; Lee, L. P. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 223902-223902-3.
129. Hong, J. W.; Studer, V.; Hang, G.; Anderson, W. F.; Quake, S. R. Nat. Biotechnol. 2004, 22, 435-439.
130. Wu, H.; Wheeler, A.; Zare, R. N. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 12809-12813.
131. Stott, S. L.; Lee, R. J.; Nagrath, S.; et al. Sci. Transl.Med. 2010,2, 25ra23.
132. Guck, J.; Schinkinger, S.; Lincoln, B.; et al. Biophys. J. 2005, 88, 3689-3698.
133. MacDonald, M. P.; Spalding, G. C.; Dholakia, K. Nature 2003, 426, 421-424.
134. Voldman, J.; Gray, M. L.; Toner, M.; Schmidt, M. A. Anal. Chem. 2002, 74, 3984-3990.
135. Hu, X.; Arnold, W. M.; Zimmermann, U. Biochim. Biophys. Acta 1990, 1021, 191-200.
136. Gascoyne, P. R.; Vykoukal, J. V. Proc. IEEE Inst. Electr. Electron. Eng. 2004,92, 22-42.
137. Powers, M. J.; Domansky, K.; Kaazempur-Mofrad, M. R.; et al. Biotechnol. Bioeng. 2002, 78, 257-269.
138. Powers, M. J.; Janigian, D. M.; Wack, K. E.; Baker, C. S.; Beer Stolz, D.; Griffith, L. G. Tissue Eng. 2002, 8, 499-513.
139. Huh, D.; Matthews, B. D.; Mammoto, A.; Montoya-Zavala, M.; Hsin, H. Y.; Ingber, D. E. Science 2010,328,1662-1668.
140. Di Carlo, D.; Jeong, K. H.; Lee, L. P. Lab Chip 2003,3, 287-291.
141. Lu, H.; Schmidt, M. A.; Jensen, K. F. Lab Chip 2005,5, 23-29.
142. Zhang, C.; Xu, J.; Ma, W.; Zheng, W. Biotechnol. Adv. 2006,24, 243-284.
143. Irimia, D.; Mindrinos, M.; Russom, A.; et al. Integr. Biol. (Camb.) 2009, 1, 99-107.
144. Lagally, E. T.; Medintz, I.; Mathies, R. A. Anal. Chem. 2001, 73, 565-570.
145. Pal, R.; Yang, M.; Lin, R.; et al. Lab Chip 2005,5,1024-1032.
146. Lee, B. S.; Lee, J. N.; Park, J. M.; et al. Lab Chip 2009, 9,1548-1555.
147. Madou, M.; Zoval, J.; Jia, G. Y.; Kido, H.; Kim, J.; Kim, N. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2006, 8, 601-628.
148. Park, J. M.; Cho, Y. K.; Lee, B. S.; Lee, J. G.; Ko, C. Lab Chip 2007, 7, 557-564.
149. Duffy, D. C.; Gillis, H. L.; Lin, J.; Sheppard, N. F.; Kellogg, G. J. Anal. Chem. 1999, 71, 4669-4678.
150. Kim, J.; Hee Jang, S.; Jia, G.; Zoval, J. V.; daSilva, N. A.; Madou, M. J. Lab Chip 2004, 4, 516-522.
151. Lai, S.; Wang, S.; Luo, J.; Lee, L. J.; Yang, S. T.; Madou, M. J. Anal. Chem. 2004, 76, 1832-1837.
152. Xu, T.; Rohozinski, J.; Zhao, W.; Moorefield, E. C.; Atala, A.; Yoo, J. J. Tissue Eng. A 2009, 15, 95-101.