在实验室用新的生物力学测试方法表征软组织

软组织是影响人体生理和疾病的重要组成部分，因为它们在组织发育、维护和修复过程中影响细胞行为。大多数现有的方法受到综合表征技术的限制，从而损害组织结构的基本过程。

在一份新报告中科学的进步卢卡·罗莎莉亚(Luca Rosalia)和一个研究团队健康科学哈佛大学和剑桥大学物理学和工程学专业的教授，基于电磁致动器和光学应变传感器之间的闭环相互作用，开发了一种在实验室中对软组织进行单轴拉伸测试的仪器。

该团队通过使用合成弹性体来验证仪器，然后使用该设备来检查软组织的机械性能，如小鼠食管组织以及它的构成层，包括上皮组织、结缔组织和肌肉组织。科学家们提高了仪器的可靠性，为广泛研究软组织生物力学提供了一个理想的平台。

了解软组织的性质

的属性软组织包括刚度，强度和粘弹性，这是关键不同的生物过程,包括胚胎形态发生，产后发展而且生理功能．这些生物特性也在启动和发展各种病理，从癌症到伤口愈合和纤维化，以及心血管疾病中发挥作用。然而，由于现有表征方法的限制，生物组织的可用力学数据是稀疏的。例如，目前，生物组织的拉伸性能主要可以用原子力显微镜．

在这项工作中，Rosalia和团队介绍了拉伸测试装置的设计和开发，并通过首先使用已知力学性能的合成弹性体，然后对小鼠食管及其本构层进行生物力学表征，以了解新开发装置的性能，并确定实验室中建立的方法的可靠性，验证了其与常规测试方法的性能。

设备的设计考虑

研究人员使用该仪器在毫米尺度上测试其生物力学特性。这些参数对应于临床常规活检的人体组织样本的平均大小，以及生物医学中使用的小鼠胚胎和成人组织。该团队将拟议仪器的结构根据其应用分为三个部分，包括样品处理、力的应用和变形的测量。

研究人员设计了机械仪器，使其光源、电磁铁和安装样品室保持可靠的配置。他们集成了设备的电气和光学元件，同时进行拉伸测试和小生物组织标本的实时成像。他们还在设备内安装了一个磁性驱动器，一个产生可变磁场的电磁铁和一个光学系统。

在实验室里重建一个微生理环境

该团队试图通过尽可能地保持软组织与生理环境的密切联系来测试它们的生物力学。他们通过设计一个透明的安装室并将测试样本组织浸入盐水溶液中来实现这一点。然后，他们设计了一个闭环反馈系统，以促进电磁稳定性和机械性能从样品中产生的，其中包括外部传感器、振动或传感器噪声。

科学家们通过在仪器上和Instron拉伸测试仪上使用聚乙烯醇硅氧烷，用既定的方法评估其性能，对该设备进行了比较验证。接下来，他们测试了安装室，以重建生物组织的生理环境有限元建模进一步表征该装置的应力-应变响应。

食道的生物力学特征

接下来，研究小组确定了食管周围的多个组织层，包括粘膜、粘膜下层和肌肉层。使用该设备，他们还进行了首次研究中的单轴拉伸测试技术，以生物力学表征整个食管组织及其三个主要组成层。粘膜为鳞状分层上皮，有分化的上基细胞和自我更新的基底祖细胞。

由于在很大程度上局限于动物模型的研究领域中缺乏足够的测试方法，生物工程师们还没有全面地描述食管的力学行为。在这项工作中，该团队进行了第一个单轴拉伸测试方法，以生物力学表征整个小鼠食管组织及其三个组成层。

前景

通过这种方法，Luca Rosalia及其同事开发了一种用于软生物组织单轴拉伸测试的高保真设备。该装置作为一个闭环系统，根据电磁铁和铁磁珠之间的相互作用产生拉力，同时跟踪样品在各种加载条件下的位移。科学家们通过表征合成材料的弹性特性来验证该设备，随后研究了小鼠食管的生物力学。

未来的研究可以促进进一步测量软组织的粘弹性特性，最终支持临床研究中转化机械生物学诊断或预后结果的知情决策过程。

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