UCL使用ElectroPuls进行小载荷测试
案例分享 | 生物医疗 | 英国伦敦
“ElectroPuls能够进行完整的压痕测试，并提供大量非常精确的信息。”
- UCL医学生Robert Shaw
组织微观结构的力学测试正在成为一个越来越活跃的研究领域，尤其是在肿瘤学领域。研究表明微环境的变化是癌细胞增长的关键，即组织硬度增强。外部力学刺激可以直接影响细胞信号调节并影响其生长。因此，研究微环境的力学性能是创建肿瘤生长生物力学模型的关键。
肿瘤细胞样本可通过使用150 μm厚的胶原支架来制备。这种很薄样本的力学试验是一个难题。采用 ElectroPuls™ E3000高采样微压痕仪能够能够获取这些极小样本的机械性能。
压痕试验因其能够查看一系列力的响应，显示体积模量值，实现局部试验，正成为薄膜组织机械表征的一个日益增长的测试领域。
薄膜试验Instron ElectroPuls E3000配备5N载荷传感器。将150μm厚的胶原凝胶放置到充满液体的培养皿容器中。最初，以0.05μms-1的压痕率创建了一个简单的波形。
由于很难将压痕仪准确放置在凝胶表面上方几μm处，这意味着试验要持续很长时间。创建一个更复杂的波形，以高达0.5 N的力压凝胶，然后将压痕仪升高150 μm到凝胶表面上方。这将压痕时间减少了4倍，同时保持0.05 μm的压痕率。
这种超慢压痕允许精确映射薄凝胶的力-压痕曲线，从中可以估计刚度。
使用低通滤波器处理结果以进一步降低噪声，并使用下采样滤波器来减小文件大小。使用采用线性建模分析的算法，可找到试验起点和下方塑料深度参与的点
从载荷-深度曲线中，使用建模公式得出胶原凝胶模量：
其中F是施加的负荷，E是弹性模量，R是压痕仪半径，δ是压痕深度，ν是材料的泊松比。
在用于动态3 KN疲劳试验的同一系统上使用ElectroPuls™ E3000既可用于高达3kN的疲劳测试，也可用于测试薄膜组织样本。其功能灵活多样，可根据用户需求进行拓展。Instron®提供一系列载荷传感器，适用于各种不同应用。
由于材料的模量值取决于加载速度，因此生物力学建模需要从生理速度下的试验中获得准确的模量值。高精度位置的保真闭环控制允许Electropuls™执行每分钟微米量级的蠕变类测试，接近生理速度。
由于后处理的目的是向用户提供原始数据，这意味着最终用户可以以任何他们认为合适的方式处理数据，并且不存在整体系统偏差。
计算模块的使用如采用了数据降噪处理技术，用于强化改善机器性能。一个简单的降噪算法，获取机器采集数据的平均值，并记录显示如何通过计算将系统调优进行任何您想做的测试。
这允许使用10 kHz的采样频率，同时仅记录10 Hz时的数据，这样可管理文件大小，而且噪音水平非常低。这意味着我们只需添加一个小计算即可大幅度降低噪音水平。
结果
这两个图虽然简单但但功能强大，表明50 N载荷传感器能够精确采集150μm 厚的软组织胶原凝胶的力学测试数据。
最终结果表明这种形式的胶原模量在1800 Pa–2500 Pa范围内（图 2）。这些结果不仅能纳入增长模型，还表明从这些凝胶中获取结果数据是可行的。这意味着进一步的研究将能够表征嵌入胶原的癌细胞，以获得更好的癌细胞生长模型。
这些结果经过原子力显微镜验证，这种显微镜通常用于更小样本的模量值检测。AFM的结果与Electropuls™的结果一致，表明在这种试验中Electropuls™具备测试薄生物组织的能力和灵敏度。
特别感谢：
UCL医学物理和生物医学工程系博士Md Pilar Garcia Souto
UCL医学影像计算中心和计算机科学系博士Peter Wijeratne