ElectroPuls在肿瘤领域的突破性应用

“ElectroPuls能够在高精度水平下进行完美的压痕测试，为客户提供大量有用的数据分析。”
                                                                                     ——UCL医学院学生Robert Shaw

  对组织的微观结构进行力学测试正成为越来越热门的研究领域，尤其是在肿瘤领域。已有研究表明，这种微环境的变化是癌细胞生长的关键，表现为组织刚度增加。外部的力学刺激可直接影响细胞的信号调节和生长。因此，研究微环境的力学特性是建立肿瘤生长的生物力学模型的关键。

  肿瘤细胞可生长于150μm厚的胶原蛋白支架上，对这种薄的样品进行力学测试是非常困难的。使用ElectroPuls™E3000进行高速采样的微压痕测试却能够获取这些非常小的样品的力学性能。压痕测试，由于其能够通过一系列的力值变化反馈最终显示出体积模量变化，且可进行局部测试，越来越多的应用于薄膜组织的力学性能测试。

薄膜测试

  Instron ElectroPuls E3000可配备5N的载荷传感器。 将150μm厚的胶原蛋白凝胶放入充满液体的培养皿容器中。

  最初以0.05μms-1的压痕速率进行一个简单的波形测试。由于难以准确地将压头放置在距凝胶表面上方几微米处，这也意味着要多次尝试花费较长的测试时间。因此使用另一种更复杂的测试波形，首先给凝胶施加凝0.5N的预压力，然后将压头升高至凝胶表面的正上方150μm处。这种方法将压痕测试时间减少为原来的1/4，同时也保持了0.05μm的压痕速率。这种超慢的压痕测试可精确获得凝胶的受力分布，从而可评估对应的刚度。

  测试结果可使用低通滤波器进一步降低噪声，使用降低采样频率滤波器减小文件大小。 同时使用线性建模分析的算法，找到测试的起始点以及更为复杂的塑性点。通过测试可直接获得载荷-压痕深度图，通过建模公式计算可获得胶原蛋白凝胶的模量。

F-施加载荷  E-弹性模量  R-压头半径

δ-压痕深度  v-材料泊松比

英斯特朗的优势

  ElectroPuls™E3000测试系统功能灵活多样，既可用于3KN的大力值动态疲劳测试，又可进行薄膜组织的小载荷测试，完全可以满足客户的多样性测试需求。同时，Instron®提供一系列的载荷传感器，满足各种不同测试的精度需求。

  由于材料的模量取决于冲击速度，因此建立生物力学模型所需的精确的模量值，需要是在生理速度的测试中获得。 Electropuls™高精度的位移闭环控制方式可进行每分钟微米数量级的蠕变测试，这是非常接近生理速度的。

  数据后处理旨在为用户提供原始数据，这意味着用户可以以他们认为合理的方式处理数据，并且不存在系统偏差。同时系统采用降噪技术，使得计算模块大大强化并完善了机器性能。这种简单的降噪算法将所有输入机器的数据计算平均值，并记录显示如何通过计算模块将系统调优到客户想要的任何测试状态。

  这样能够确保使用10kHz的采样频率，同时只记录10Hz条件下的数据，如此文件的大小是可控的，但噪音水平却非常低。也就是说我们可以通过增加一个小的计算来降低噪音的水平。

 测试结果

 测试结果显示，50N载荷传感器的精度完全能够满足150μm厚胶原蛋白凝胶等软组织的力学测试。

  图2显示这种形式的胶原蛋白模量在1800Pa~2500Pa范围内。这些测试结果不仅能够用于建立生长模型，同时也表明从这些凝胶中获得测试数据是可行的。这意味着可对种植癌细胞的胶原蛋白载体进行进一步的研究，以便获得更好的癌细胞生长模型。

  原子力显微镜通常被用来测试很小样品的模量值。上述测试结果也得到原子力显微镜的进一步的验证。从原子力显微镜得到的测试结果与使用Electropuls™的结果完全一致，这表明Electropuls™有足够的能力和灵敏度用于薄的生物组织的力学测试。

致谢

Dr. Md Pilar Garcia  Souto,Medical Physics and Biomedical Engineering Dept, UCL

Dr. Peter Wijeratne,Centre for Medical Image Computing, Computer Science Dept, UCL