Electronics and control systems in mechanical measurements of cancer 3D cell cultures

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis

Authors

Jensen, Nadja

Date

2025-06-27

Department

Major/Subject

Electronic and Digital Systems

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Automation and Electrical Engineering

Language

en

Pages

46

Series

Abstract

Breast cancer has been studied using traditional two-dimensional (2D) cell cultures since the early 20th century. However, in recent decades, three-dimensional (3D) cell cultures have gained increasing attention due to their enhanced physiological relevance. Magnetic microrheometry is a technique used to study the mechanical properties of such cancer 3D cell cultures by applying magnetic forces to microscale magnetic spheres embedded within the cell cultures. However, the technique still exhibits unwanted heating effects due to the electronic components and electromagnets used to generate the forces. This thesis particularly examined the thermal effects of two different current control methods used in a magnetic microrheometer: an automated system using LabVIEW (proportional control at 1 kHz) and a manually controlled system (modeling the use of a current source). Heating was assessed using RTD-100 temperature probes at five locations: two amplifiers, two coils, and the sample holder. A total of 12 experiments were conducted by varying current amplitude, signal frequency, and the control system type. The measured data was analyzed to determine peak temperatures, cooling durations, and the effects of each variable. The manually controlled system generally resulted in lower temperatures across all measurement points compared to the LabVIEW-controlled system at relevant currents (an amplitude of 1 A). Increasing the current amplitude led to higher temperatures, while signal frequency had only a minor effect. In addition, it was found that the amplifiers had both a faster thermal response and higher peak temperatures than the coils and the sample holder. The findings suggest that optimizing the current control system can help mitigate heating, but additional cooling mechanisms may still be necessary to ensure stable thermal conditions during advanced microrheological measurements.

Rintasyöpää on tutkittu perinteisesti kaksiulotteisilla (2D) soluviljelmillä jo 1900-luvun alusta lähtien. Viime vuosikymmeninä kolmiulotteiset (3D) soluviljelmät ovat kuitenkin saaneet yhä enemmän huomiota niiden fysiologisten omaisuuksien ansiosta. Magneettinen mikroreometria on tekniikka, jota käytetään 3D-syöpäsoluviljelmien mekaanisten ominaisuuksien tutkimiseen. Siinä soluviljelmään upotettuihin mikroskooppisiin magneettisiin palloihin kohdistetaan magneettisia voimia. Menetelmään liittyy kuitenkin ei-toivottuja lämpenemisilmiöitä, jotka johtuvat magneettisia voimia tuottavista elektronisista komponenteista ja sähkömagneeteista. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin erityisesti kahden eri virtaohjauksen lämpövaikutuksia magneettisessa mikroreometriassa: LabVIEW-ohjelmalla toteutettua automaattista säätöä (P-ohjain 1 kHz taajuudella) sekä käsin ohjattua järjestelmää (joka mallintaa virtalähdettä). Lämpötilaa mitattiin RTD-100 lämpötila-antureilla viidessä kohdassa: kahdessa vahvistimessa, kahdessa kelassa ja näytepidikkeessä. Yhteensä 12 koetta suoritettiin vaihtelemalla virran amplitudia, signaalin taajuutta ja säätöjärjestelmän tyyppiä. Mitattua dataa analysoitiin maksimilämpötilojen, jäähtymisaikojen ja muuttujien vaikutusten selvittämiseksi. Käsin ohjattu järjestelmä pääosin tuotti matalammat lämpötilat kaikissa mittauspisteissä verrattuna LabVIEW-ohjattuun järjestelmään relevanteilla virroilla (amplitudi 1 A). Virran amplitudin kasvattaminen lisäsi lämpötilaa, kun taas signaalin taajuudella havaittiin olevan vähäinen vaikutus. Lisäksi havaittiin, että vahvistimilla oli sekä nopeampi lämpövaste että korkeammat maksimilämpötilat verrattuna keloihin ja näytepidikkeeseen. Tulokset viittaavat siihen, että virtaohjauksen optimoinnilla voidaan vähentää lämpenemistä, mutta lisäjäähdytysratkaisut saattavat silti olla tarpeen vakaiden lämpötilaolosuhteiden varmistamiseksi edistyneissä mikroreologisissa mittauksissa.

Description

Supervisor

Pokki, Juho

Keywords

current control, resistance, temperature, electromagnets, micromanipulation, control systems

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508266819

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC