UCL 如何利用 ElectroPuls 測量癌組織微環境的剛度
UCL 的研究人員使用 Instron ElectroPuls ™ E3000 對 150μm 厚的膠原蛋白凝膠進行超慢速、高精度的微壓痕測試，從而提取與癌組織生長建模相關的剛度數據。結果已透過原子筆顯微鏡進行驗證，證實了 ElectroPuls 系統在測試薄生物組織方面的靈敏度與能力。
組織微觀結構的機械測試正成為日益活躍的研究領域，尤其是在腫瘤學方面。研究顯示，微環境的變化是癌症生長的關鍵，即組織剛度的增加。外部機械力可直接影響細胞信號傳導，進而調節並影響生長。因此，研究微環境的機械特性是建立腫瘤生長生物力學模型的關鍵。
腫瘤細胞樣本可置於 150μm 厚的膠原蛋白支架中。對如此薄的樣本進行機械測試是一個難題。透過使用 ElectroPuls E3000 進行高採樣微壓痕測試，能夠從這些極小的樣本中提取機械特性。
壓痕測試已成為薄膜組織機械特性分析中日益普及的方法，這歸功於它能夠顯示各種力下的反應、產生體積模數值並提供局部測試。
測試薄膜
Instron ElectroPuls E3000 配備了 50N 的荷重元。將 150μm 厚的膠原蛋白凝膠放入裝滿液體的培養皿容器中。最初，建立了一個壓痕速率為 0.05 μm/s 的簡單波形。
由於難以精確地將壓頭放置在凝膠表面上方幾微米處，測試運行了很長時間。隨後建立了一個更複雜的波形，將凝膠壓入至 0.5N，然後將壓頭升高 150μm 至剛好位於凝膠表面上方。這使壓痕時間縮短了 4 倍，同時仍保持 0.05 μm/s 的壓痕速率。
這種超慢速壓痕能夠精確繪製薄凝膠的力-壓痕曲線圖，並據此估算剛度。
結果使用低通濾波器處理以進一步降低雜訊，並配合降採樣濾波器以減小檔案大小。使用線性建模分析的演算法找出了測試的起點，以及表面下方塑性變形變得顯著的點。
根據荷重-深度曲線圖，使用以下公式計算膠原蛋白凝膠的模數：
其中 F 是施加的荷重，E 是彈性模數，R 是壓頭半徑，δ 是壓痕深度，ν 是材料的帕松比。
Instron 的優勢
使用 ElectroPuls E3000 測試薄膜組織樣本（該系統同樣用於動態 3 kN 疲勞測試），展示了儀器的靈活性，並透過使用者的創意進一步突破了機器的極限。Instron® 提供全系列的荷重元，適用於各種不同的應用。
由於模數值取決於加載速度，生物力學建模所需的準確模數值必須來自以生理速度運行的測試。ElectroPuls 用於位置精度的高保真控制迴路使其能夠執行微米/分鐘級別的蠕變式測試，接近生理速度。
由於後處理讓使用者可以存取原始數據，終端使用者可以根據需要處理該數據，而不會產生系統固有的偏差。
計算模組增強並擴展機器能力的功能已透過所使用的雜訊抑制技術得到證實。一種簡單的雜訊抑制演算法（取所有輸入數據的平均值）展示了如何使用計算模組針對所需的任何測試對系統進行調整。
這種方法允許使用來自 10 kHz 數據的資訊，而僅以 10 Hz 記錄數據，在保持檔案大小可控的同時顯著降低雜訊水平——這一切僅透過增加單個計算即可實現。
結果
下方的兩張圖表顯示，荷重元能夠提供薄至 150μm 膠原蛋白凝膠的軟組織機械資訊。
最終結果顯示，此形式的膠原蛋白模數落在 1800 Pa 至 2500 Pa 的範圍內（圖 2）。這些結果可以納入腫瘤生長模型中，同時也證明了可以從這些凝膠中獲得有意義的結果——這意味著未來的研究將能夠對嵌入膠原蛋白的癌細胞進行特性分析，以建立更好的癌症生長模型。
這些結果已使用原子筆顯微鏡 (AFM) 進行驗證，AFM 通常用於測量更小樣本的模數。AFM 的結果與 ElectroPuls™ 的結果一致，這表明對於此類測試，ElectroPuls™ 具有測試薄生物組織的能力和靈敏度。
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