角膜生物力學(xué)：解密眼角膜的“韌性"

核心概念

原位拉伸測試是一種離體的力學(xué)測試方法，用于直接測量眼角膜組織在受控拉伸力作用下的力學(xué)響應(yīng)，從而獲得其最根本的力學(xué)屬性，如應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、彈性模量、極限拉伸強(qiáng)度等。

1. 測試目的與重要性

這種測試主要用于基礎(chǔ)科學(xué)研究和應(yīng)用工程研究，目的包括：

建立精確的眼角膜本構(gòu)模型：了解角膜在不同方向、不同速率載荷下的力學(xué)行為，為計(jì)算機(jī)模擬提供準(zhǔn)確的輸入?yún)?shù)。

研究眼部疾病機(jī)制：探究圓錐角膜、角膜膨隆等疾病如何改變角膜的生物力學(xué)性能。

評估手術(shù)效果：研究激光手術(shù)、角膜交聯(lián)術(shù)等如何影響角膜的力學(xué)強(qiáng)度。

開發(fā)新型材料：為設(shè)計(jì)人工角膜、角膜植入物提供力學(xué)性能對標(biāo)。

驗(yàn)證臨床設(shè)備：將離體測試得到的“真實(shí)"力學(xué)數(shù)據(jù)與ORA等臨床設(shè)備的測量結(jié)果進(jìn)行對比和校準(zhǔn)。

2. 測試流程與方法

這是一個高度標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)室流程：

1. 樣本制備：

獲取捐贈的人體或動物眼角膜。

將角膜切割成特定的標(biāo)準(zhǔn)形狀（如啞鈴狀、條帶狀），以確保測試區(qū)域的應(yīng)力分布均勻。

2. 安裝與環(huán)境控制：

將制備好的角膜樣本的兩端牢固地夾在拉伸臺的上下夾具中。

將整個裝置置于一個生理環(huán)境模擬槽中，槽內(nèi)充滿恒溫的生理鹽水，以保持角膜組織的濕潤和生理狀態(tài)。

3. 施加載荷與數(shù)據(jù)采集：

拉伸：拉伸臺以預(yù)設(shè)的速率緩慢、穩(wěn)定地拉伸樣本。

測量：

力傳感器實(shí)時記錄施加在樣本上的拉力。

位移傳感器記錄樣本的伸長量。

許多先進(jìn)的系統(tǒng)會集成光學(xué)測量系統(tǒng)，用于實(shí)時追蹤樣本上的局部應(yīng)變分布，這比單純的夾頭位移更精確。

4. 數(shù)據(jù)分析：

應(yīng)力-應(yīng)變曲線：將記錄的力和位移數(shù)據(jù)，結(jié)合樣本的原始尺寸，轉(zhuǎn)換為應(yīng)力和應(yīng)變，并繪制成曲線。

關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算：

彈性模量：曲線初始線性部分的斜率，代表角膜抵抗拉伸的“剛度"。這是最重要的力學(xué)參數(shù)之一。

極限拉伸強(qiáng)度：角膜在被拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。

斷裂應(yīng)變：角膜在被拉斷前能伸長多少。

3. 原位拉伸測試 vs. 臨床生物力學(xué)測試