角膜生物力學(xué)的研究進(jìn)展

劉金玲　連玲艷　張曉融

摘 要：角膜的膠原纖維對(duì)維持角膜的透明狀態(tài)起著主要作用，因此，角膜的生物力學(xué)特性的變化影響著眼球的屈光改變。近年來(lái)，對(duì)角膜的生物力學(xué)特性及其對(duì)角膜疾病影響的研究越來(lái)越多。本文將探討角膜的材料結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性的測(cè)量方法及其在眼部相關(guān)疾病的研究。

關(guān)鍵詞：膠原纖維；生物力學(xué)；眼部；角膜

Abstract：The collagen fiber of cornea plays a major role in maintaining transparent state， as a result， the change of biomechanical characteristics will impact refractive of the whole eye. In recent years， a lot of research is on the biomechanical characteristics of the cornea and its effect on corneal disease.This article explores the material structure， mechanical properties measurement of the cornea and research of ocular in the related diseases.

Key words：Collagen fiber；Biomechanics；Ocular；Cornea

角膜位于眼球前極中央，占眼球屈光力的2/3，是眼球重要的屈光介質(zhì)。角膜呈前凸?fàn)顟B(tài)，是透明的橫橢圓型組織?；|(zhì)層占整個(gè)角膜厚度的 90%，基質(zhì)層由大量的膠原纖維組成，膠原纖維在不同層面之間粗細(xì)、大小、方向不一致，但在同一層面之間相同。規(guī)則排列的膠原纖維維持著角膜的透明狀態(tài)，當(dāng)基質(zhì)層膠原纖維在受到外傷或因疾病發(fā)生改變時(shí)，膠原纖維的排列會(huì)發(fā)生變化，角膜的透明性下降而影響角膜的屈光狀態(tài)。基質(zhì)層膠原纖維也是角膜抗拉力的重要組成因素，膠原纖維的改變會(huì)影響角膜的生物力學(xué)特性的改變，從而影響整個(gè)眼球的屈光狀態(tài)。

1 角膜的結(jié)構(gòu)

角膜是一種具有各向異性的生物材料，角膜基質(zhì)層膠原纖維的走向和膠原纖維內(nèi)部的走向是按照首選的方向分布[ 1 ]。分離不同方向角膜周邊50%基質(zhì)厚度所需的力是不同的[ 2 ]，鼻側(cè)周邊和顳側(cè)周邊較高，下方周邊的平均粘著力較低，這就是角膜外傷時(shí)多從下方穿孔和破裂的原因。角膜板層膠原排列從淺到深，從中央到周邊，周邊纖維更加致密，極性更強(qiáng)[ 3 ]。這些研究對(duì)圓錐角膜和一些角膜擴(kuò)張性疾病的研究會(huì)有幫助。

2 角膜生物力學(xué)的測(cè)量方法

角膜是一種具有粘彈性的生物材料，描述它的生物力學(xué)性能指標(biāo)有彈性模量和泊松比。角膜的生物力學(xué)的測(cè)量方法有很多種，主要分為離體和活體測(cè)量法。離體測(cè)量有軸向拉伸法、角膜膨脹法?；铙w測(cè)量法包括眼反應(yīng)儀測(cè)量。幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，尚無(wú)一種方法能全面反映角膜全部的生物力學(xué)特征。

軸向拉伸法是使用生物力學(xué)機(jī)進(jìn)行單向拉伸及雙向拉伸的方法。由于人角膜取材困難，國(guó)內(nèi)外人角膜生物力學(xué)研究很少有系統(tǒng)報(bào)道。曾衍鈞等[ 4 ]用單軸拉伸法測(cè)量得出豬角膜最大強(qiáng)度接近人角膜最大強(qiáng)度，楊堅(jiān)等[ 5 ]將人角膜與豬角膜進(jìn)行了比較，得出與曾衍鈞相同的結(jié)論，但兩者在應(yīng)力松弛存在較大的差異。軸向拉伸法操作簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，但是因?yàn)楦淖兞私悄け旧淼男螤?，誤差較大。

角膜膨脹法是指把附帶鞏膜的完整角膜固定在一個(gè)密閉的容器上，向容器內(nèi)注入生理鹽水來(lái)模擬眼內(nèi)壓的變化，并記錄眼內(nèi)壓與角膜形變之間的關(guān)系。角膜膨脹法克服了軸向拉伸法的缺點(diǎn)，更接近在體角膜的受力情況，可操控、可重復(fù)，但是壓力不好控制而易產(chǎn)生誤差，且因角膜不同軸向彈性模量不同，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量不同軸向的彈性模量。

活體測(cè)量法有眼反應(yīng)儀（ocular response analyzer ORA）測(cè)量，它通過(guò)動(dòng)態(tài)雙向壓平來(lái)測(cè)量角膜生物力學(xué)指標(biāo)。它能測(cè)量正常及異常角膜的變形，此方法方便、實(shí)用，但目前尚無(wú)建立ORA參數(shù)與生物力學(xué)參數(shù)的關(guān)系。

3 生物力學(xué)在眼部相關(guān)疾病中的研究進(jìn)展

3.1 LASIK

準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)（1aserin situ keratomi-leusis，LASIK）是近20年來(lái)矯正近視的最主要的手術(shù)，因其視力提高快、手術(shù)時(shí)間短、并發(fā)癥少，被越來(lái)越多的醫(yī)生和患者所接受。因其手術(shù)成功率高，輕微的術(shù)后不適癥狀都會(huì)給患者帶來(lái)心理的不良影響，所以術(shù)后并發(fā)癥倍受關(guān)注。LASIK術(shù)后最常見(jiàn)的主訴是虹視，主要原因就是術(shù)后角膜基質(zhì)層膠原纖維被去除后剩余膠原纖維排列不規(guī)則，從而引起光線的折射和散射。最主要的并發(fā)癥就是殘留角膜擴(kuò)張的問(wèn)題，因?yàn)榻悄ぐ甑沫h(huán)形切割導(dǎo)致了角膜的應(yīng)力發(fā)生改變。準(zhǔn)分子激光手術(shù)為切削角膜基質(zhì)層從而達(dá)到改變屈光狀態(tài)，根據(jù)手術(shù)量的不同，角膜切削量亦會(huì)不同。有研究[ 6 ]發(fā)現(xiàn)隨著角膜基質(zhì)厚度的破壞，角膜很容易發(fā)生形變，也更容易導(dǎo)致角膜擴(kuò)張。角膜的抗拉力主要取決于角膜的膠原纖維和膠原纖維的排列組成，這些膠原纖維分布于占90%角膜厚度的角膜基質(zhì)層，是抗拉力最主要的組成部分。角膜基質(zhì)切削量越大，殘留基質(zhì)越小，術(shù)后角膜抗拉力越小，越容易發(fā)生形變。因過(guò)度切削導(dǎo)致準(zhǔn)分子激光術(shù)后繼發(fā)圓錐角膜和角膜擴(kuò)張的病例時(shí)有報(bào)道。當(dāng)角膜基質(zhì)切削量控制在30%全角膜厚度以內(nèi)，手術(shù)是安全的。當(dāng)切削量大于全角膜厚度的50%，角膜的抗拉力下降，更容易發(fā)生擴(kuò)張。生物力學(xué)的研究及力學(xué)模型的建立，可以確立準(zhǔn)分子激光手術(shù)的最大切削量及預(yù)測(cè)術(shù)后效果，最大化的避免術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。

3.2 圓錐角膜

角膜病是最常見(jiàn)的眼病之一。圓錐角膜的病因不清，可能與多種因素相關(guān)。主要病理改變?yōu)榻悄で?、后彈力層斷裂，基質(zhì)中降解膠原纖維的細(xì)胞外基質(zhì)因子和蛋白酶上調(diào)，降解基質(zhì)層膠原纖維，導(dǎo)致基質(zhì)局域性進(jìn)行性變薄，角膜前凸，常伴有高度不規(guī)則散光，多在20歲以內(nèi)出現(xiàn)明顯的圓錐而影響視力。圓錐角膜的發(fā)病率在性別之間無(wú)明顯差異[ 7 ]。圓錐角膜組織的機(jī)械強(qiáng)度下降，通常是正常值的一半，引起角膜膨隆[ 8 ]。圓錐角膜病人角膜滯后量和阻力因子量均較正常角膜低，且與角膜變薄的程度正相關(guān)。

3.3 紫外光核黃素交聯(lián)療法

鑒于其生物力學(xué)的變化，紫外光核黃素交聯(lián)療法是最近幾年治療圓錐角膜等角膜擴(kuò)張疾病及角膜潰瘍的新方法，使角膜基質(zhì)層膠原纖維發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，改變膠原纖維的直徑和結(jié)構(gòu)，從而提高角膜基質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度[ 9 ]，從而阻止圓錐角膜的病理性擴(kuò)張。并且角膜應(yīng)力的提高和角膜厚度的增加發(fā)生在前部角膜基質(zhì)，后部角膜基質(zhì)無(wú)改變，因?yàn)?0%的紫外光被前部200微米的角膜基質(zhì)吸收，只有20%被后部200微米的角膜基質(zhì)吸收，因此內(nèi)皮及眼內(nèi)較少受到損傷。紫外光核黃素交聯(lián)療法有望成為代替角膜移植手術(shù)的保守治療手段，有效緩解臨床上角膜供體不足的難題。

紫外光核黃素交聯(lián)療法的不良反應(yīng)主要是光化學(xué)效應(yīng)帶來(lái)的角膜損傷、視網(wǎng)膜毒性，所以在治療過(guò)程中，基本條件之一是剩余角膜厚度要大于400微米，才能有效保證在治療過(guò)程中有足夠的角膜基質(zhì)層以保護(hù)角膜內(nèi)皮。

3.4 生物力學(xué)模型

生物力學(xué)模型的建立，可以評(píng)估及預(yù)測(cè)角膜手術(shù)術(shù)后效果。如建立PK術(shù)后的分析型模型，以推測(cè)術(shù)后可能效果及并發(fā)癥。

綜上所述，眼角膜的生物力學(xué)特性，可以更好的研究眼部疾病，對(duì)正確評(píng)估屈光手術(shù)后的效果有重要意義，更好的推動(dòng)眼科的發(fā)展。

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通信作者：張曉融。