年齡對(duì)兔眼晶狀體剛度影響的實(shí)驗(yàn)研究

陳維毅，馮鵬飛，王曉君，高志鵬

（太原理工大學(xué) 應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究所，太原 030024)

晶狀體是眼球屈光系統(tǒng)的重要組成部分，在眼球的屈光系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，也是唯一具有調(diào)節(jié)能力的屈光間質(zhì)。晶狀體為具有彈性的雙凸透明體，外包薄層晶狀體囊，囊壁由基質(zhì)和膠原纖維組成。內(nèi)部分為外周的皮質(zhì)和中央的晶狀體核。皮質(zhì)的前表面有一層立方形細(xì)胞構(gòu)成的晶狀體上皮。在赤道部，細(xì)胞逐漸變成長(zhǎng)柱狀，稱(chēng)之為晶狀體纖維。晶狀體內(nèi)無(wú)血管和神經(jīng)，靠房水供給營(yíng)養(yǎng)［1］。

老視是隨著年齡的增長(zhǎng)而出現(xiàn)的視近困難，是一種正常的生理現(xiàn)象，并非屈光不正。隨著年齡的增長(zhǎng)，晶狀體剛度的增加是引起老視的主要因素之一［2-3］。雖然目前就老視的發(fā)生機(jī)制尚未完全清楚［4-6］，但是晶狀體的生物力學(xué)性能與老視有著密切的聯(lián)系。Fisher等［7］通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)離心法測(cè)量人眼晶狀體的整體剛度，得到了與年齡相關(guān)的晶狀體的準(zhǔn)靜態(tài)剛度。Henk A.Weeber等［8］測(cè)量了人眼晶狀體的剪切柔量，結(jié)果表明，人眼晶狀體的剪切柔量隨著年齡的增長(zhǎng)呈指數(shù)方式降低。Todd N.Erpelding等［9］通過(guò)聲輻射力的方法測(cè)量了豬眼晶狀體的彈性，結(jié)果表明，晶狀體核的剛度比晶狀體皮質(zhì)的剛度大，同時(shí)豬眼晶狀體的剛度隨著年齡的增長(zhǎng)而增大。Matthew A.Reilly等［10］自制了一臺(tái)四臂晶狀體拉伸儀，通過(guò)四臂拉伸儀對(duì)豬眼晶狀體進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，隨赤道位移的增加，拉伸載荷呈非線(xiàn)性增大，同時(shí)豬眼晶狀體的前表面曲率變小。Hussein Baradia等［11］測(cè)量了老鼠晶狀體的剛度，結(jié)果表明，年齡大的晶狀體剛度比年齡小的大。Noel M.Ziebarth等［12］通過(guò)原子力顯微鏡測(cè)量了人類(lèi)與其他靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物晶狀體囊的剛度，得出晶狀體囊的剛度隨著年齡的增長(zhǎng)而增大。

國(guó)內(nèi)關(guān)于晶狀體力學(xué)性能的研究很少，本文通過(guò)對(duì)不同年齡兔眼的晶狀體分別進(jìn)行壓縮、拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)量其剛度隨年齡的變化情況。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

本實(shí)驗(yàn)選取3月、6月、9月齡健康的新西蘭大白兔各10只，由山西醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)器材及環(huán)境

Instron5544試驗(yàn)機(jī)，用于對(duì)兔眼晶狀體施以連續(xù)壓縮載荷控制并記錄位移；自制玻璃小室（底部磨砂)，用以放置晶狀體，并防止在受壓過(guò)程中晶狀體的滑動(dòng)；自制夾條，拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)用以固定鞏膜；NIKON D3100單反相機(jī)，用于拍攝拉伸時(shí)晶狀體赤道直徑的變化；載玻片，用以給鞏膜施加固定載荷；托盤(pán)，放置載玻片；摘取眼球和晶狀體所需的手術(shù)刀、直鑷、彎鑷、直剪等手術(shù)器械；PBS緩沖液。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為29℃，相對(duì)濕度為51%。

1.3 壓縮實(shí)驗(yàn)的方法及步驟

將晶狀體置于PBS緩沖液中，在晶狀體的豎直方向上通過(guò)壓頭施以壓縮載荷，具體步驟如下。

1)從兔耳緣靜脈注射空氣處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。

2)用直鑷撐開(kāi)兔眼瞼，用直剪去除球結(jié)膜和眼球周?chē)綆У募∪猓魯嘁暽窠?jīng)將眼球取出，從眼球的后極剪開(kāi)，逐漸向前極剪至角膜鞏膜緣。然后在冠狀面切開(kāi)暴露出晶狀體，剪斷連在晶狀體上的睫狀小帶后取出晶狀體，去除殘余睫狀小帶并用吸紙吸干凈晶狀體上的水分，放在電子秤上稱(chēng)其質(zhì)量。

3)打開(kāi)Instron5544試驗(yàn)機(jī)，將裝有晶狀體和PBS緩沖液的玻璃小室放置于試驗(yàn)機(jī)的壓頭下，調(diào)整其位置，使晶狀體的極軸與壓頭中心處于同一豎直線(xiàn)上，拍下照片作為初始狀態(tài)。

4)將壓頭的速度設(shè)為1.8mm／min進(jìn)行壓縮，直到壓破為止。

兔眼晶狀體壓縮實(shí)驗(yàn)的示意圖如圖1所示。

圖1 壓縮實(shí)驗(yàn)示意圖

1.4 拉伸實(shí)驗(yàn)的方法及步驟

拉伸實(shí)驗(yàn)是將鞏膜四等分后，將鞏膜條帶用自制的夾條固定并連以托盤(pán)，每次在托盤(pán)上加一個(gè)載玻片用以施加對(duì)晶狀體的拉伸載荷。具體步驟如下：

1)從兔耳緣靜脈注射空氣處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，去除眼球外組織并取出眼球；

2)將眼球取出后，從眼球的后極剪開(kāi)并對(duì)鞏膜進(jìn)行等分，剪成約6mm寬的條帶，將鞏膜條帶用夾條固定并連以托盤(pán)，記為初始狀態(tài)，如圖2所示。

3)在托盤(pán)上每加一個(gè)載玻片即拍攝一張圖片。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 兔眼晶狀體壓縮實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理

圖2 拉伸實(shí)驗(yàn)晶狀體的初始狀態(tài)

用Image Pro5.1軟件對(duì)拍攝所得到的圖片進(jìn)行測(cè)量（精度±30μm)，測(cè)出每個(gè)兔眼晶狀體的初始厚度和赤道直徑，在壓縮過(guò)程中兔眼晶狀體厚度的變化可通過(guò)壓頭的位移來(lái)表示。壓縮過(guò)程中Instron 5544所記錄的載荷—位移曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 壓縮載荷與壓縮位移曲線(xiàn)

選取壓縮位移在0.24～1.00mm內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。晶狀體是生物組織體，非標(biāo)準(zhǔn)試件，為了更好地進(jìn)行比較，作以下定義。

定義壓縮載荷下的名義壓縮應(yīng)力為：

式中：F1是壓縮載荷；S1是壓縮前晶狀體赤道部的截面積，S1＝.

定義壓縮載荷下的名義壓縮應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：δ0是晶狀體的原始厚度，δ0-δ是在壓縮過(guò)程中晶狀體厚度的變化量，即壓縮位移。

將每組名義壓縮應(yīng)力和名義壓縮應(yīng)變用函數(shù)y＝ax進(jìn)行擬合，所得曲線(xiàn)的斜率就是名義壓縮模量EY。最后求出各年齡段的平均名義壓縮模量并進(jìn)行比較。

2.2 兔眼晶狀體拉伸實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理

用Image Pro5.1軟件對(duì)拍攝所得到的圖片進(jìn)行測(cè)量，測(cè)出每個(gè)拉伸載荷下晶狀體的赤道直徑的變化，并作以下定義。

定義拉伸載荷下的名義拉伸應(yīng)力為：

式中：F2是晶狀體所受到的拉力；S2是拉伸前晶狀體在矢狀面上的投影面積，S2＝δd，如圖4所示。

圖4 晶狀體在矢狀面上的投影面積

定義拉伸載荷下的名義拉伸應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：d0是晶狀體的初始赤道直徑，d-d0是拉伸過(guò)程中晶狀體赤道直徑的變化量。

取同一年齡段所有晶狀體試樣的名義拉伸應(yīng)力和名義拉伸應(yīng)變作出一張散點(diǎn)圖，用函數(shù)y＝ax進(jìn)行擬合，所得曲線(xiàn)的斜率即為該年齡段的名義拉伸模量，用EL表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 各年齡段兔眼晶狀體的質(zhì)量、厚度、直徑及壓縮破壞載荷

壓縮實(shí)驗(yàn)前測(cè)得的晶狀體質(zhì)量、厚度、赤道直徑及壓縮實(shí)驗(yàn)中記錄的壓縮破壞載荷結(jié)果如表1所示。從中可見(jiàn)，兔眼晶狀體的質(zhì)量、厚度、赤道直徑及壓縮破壞載荷隨著年齡的增長(zhǎng)都呈增大的趨勢(shì)。

表1 各年齡段兔眼晶狀體的質(zhì)量、厚度、赤道直徑及壓縮破壞載荷

3.2 各年齡段兔眼晶狀體平均壓縮載荷與厚度變化的關(guān)系

圖5是各年齡段兔眼晶狀體平均壓縮載荷與厚度變化的關(guān)系。當(dāng)壓縮載荷相同時(shí)，年齡小的兔眼晶狀體厚度變化大。說(shuō)明年齡大的兔眼晶狀體抵抗變形的能力強(qiáng)，剛度大。

圖5 各年齡段兔眼晶狀體平均壓縮載荷與厚度變化的關(guān)系

3.3 各年齡段兔眼晶狀體的平均名義壓縮模量

圖6是3月齡單個(gè)兔眼晶狀體的名義壓縮應(yīng)力與名義壓縮應(yīng)變關(guān)系，所擬合直線(xiàn)的斜率就是名義壓縮模量。分別根據(jù)各年齡段晶狀體的名義壓縮應(yīng)力與名義壓縮應(yīng)變擬合直線(xiàn)，得到相應(yīng)的名義壓縮模量，并進(jìn)行算術(shù)平均，得到3月、6月、9月齡的平均名義壓縮模量分別為（1.21±0.19)kPa，（2.62±1.13)kPa，（6.46±2.92)kPa，如圖7所示。由圖7看出，隨著年齡的增長(zhǎng)，兔眼晶狀體剛度逐漸增大，變得更硬。

圖6 名義壓縮應(yīng)力與名義壓縮應(yīng)變關(guān)系

圖7 平均名義壓縮模量隨年齡的變化

3.4 各年齡段兔眼晶狀體的名義拉伸模量

圖8 拉伸載荷下6月齡全部兔眼晶狀體試樣的名義應(yīng)力-應(yīng)變散點(diǎn)圖和擬合結(jié)果

圖8是6月齡全部兔眼晶狀體試樣的名義拉伸應(yīng)力-應(yīng)變的散點(diǎn)圖及其擬合結(jié)果，其名義拉伸模量為（19.45±1.24)kPa。同樣可得9月齡兔眼晶狀體的名義拉伸模量為（29.60±2.25)kPa。將擬合結(jié)果對(duì)比分析得出：9月齡兔眼晶狀體的名義拉伸模量比6月齡的大，如圖9所示。

圖9 名義拉伸模量隨年齡的變化

4 結(jié)論

隨著年齡的增長(zhǎng)，兔眼晶狀體的質(zhì)量、厚度、赤道直徑及壓縮破壞載荷都逐漸增大。當(dāng)壓縮載荷相同時(shí)，兔眼晶狀體厚度的變化隨年齡的增長(zhǎng)而變?。欢x了壓縮載荷下的名義壓縮應(yīng)力和名義壓縮應(yīng)變后，得到3月、6月、9月兔眼晶狀體在壓縮位移為0.24～1.00mm范圍內(nèi)的平均名義壓縮模量分別為（1.21±0.19)kPa，（2.62±1.13)kPa，（6.46±2.92)kPa，即兔眼晶狀體的平均名義壓縮模量隨著年齡的增長(zhǎng)而增大。說(shuō)明隨著年齡的增長(zhǎng)，兔眼晶狀體剛度逐漸增大，變得更硬。該結(jié)論與Helmholtz老視發(fā)生機(jī)制的理論相一致。定義了拉伸載荷下的名義拉伸應(yīng)力和名義拉伸應(yīng)變后，得出9月齡兔眼晶狀體的名義拉伸模量比6月齡的大。

壓縮和拉伸實(shí)驗(yàn)的誤差主要來(lái)自赤道直徑的測(cè)量，拉伸實(shí)驗(yàn)同時(shí)還可能存在兩個(gè)拉伸方向上受力不均的影響。如何改進(jìn)測(cè)量手段，減少或排除拉伸時(shí)受力不均的影響，仍需進(jìn)一步研究。

隨著老齡化社會(huì)的來(lái)臨，老視的問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注［13-14］。目前老視的治療除了傳統(tǒng)的配戴眼鏡外，還有從角膜、晶狀體、鞏膜等不同角度來(lái)進(jìn)行老視的治療［15-17］，但都有其弊端和手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。雖然老視的發(fā)生機(jī)制還不是非常清楚，基于Helmholtz調(diào)節(jié)理論，老視主要是由于晶狀體剛度的增加而引起的，因此治療老視要從改善晶狀體的彈性入手。本實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，新西蘭大白兔隨著年齡的增長(zhǎng)，晶狀體的剛度逐漸增大?？梢钥紤]以新西蘭大白兔為動(dòng)物模型，通過(guò)物理、化學(xué)等方法來(lái)改善晶狀體的彈性，并通過(guò)本文采用的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)檢測(cè)其力學(xué)性能的改善狀況，為檢驗(yàn)上述療法的有效性提供實(shí)驗(yàn)手段。

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