角膜生物力学：解密眼角膜的“韧性”

角膜生物力学：解密眼角膜的“韧性"

核心概念

原位拉伸测试是一种离体的力学测试方法，用于直接测量眼角膜组织在受控拉伸力作用下的力学响应，从而获得其最根本的力学属性，如应力-应变关系、弹性模量、极限拉伸强度等。

1. 测试目的与重要性

这种测试主要用于基础科学研究和应用工程研究，目的包括：

建立精确的眼角膜本构模型：了解角膜在不同方向、不同速率载荷下的力学行为，为计算机模拟提供准确的输入参数。

研究眼部疾病机制：探究圆锥角膜、角膜膨隆等疾病如何改变角膜的生物力学性能。

评估手术效果：研究激光手术、角膜交联术等如何影响角膜的力学强度。

开发新型材料：为设计人工角膜、角膜植入物提供力学性能对标。

验证临床设备：将离体测试得到的“真实"力学数据与ORA等临床设备的测量结果进行对比和校准。

2. 测试流程与方法

这是一个高度标准化的实验室流程：

1. 样本制备：

获取捐赠的人体或动物眼角膜。

将角膜切割成特定的标准形状（如哑铃状、条带状），以确保测试区域的应力分布均匀。

2. 安装与环境控制：

将制备好的角膜样本的两端牢固地夹在拉伸台的上下夹具中。

将整个装置置于一个生理环境模拟槽中，槽内充满恒温的生理盐水，以保持角膜组织的湿润和生理状态。

3. 施加载荷与数据采集：

拉伸：拉伸台以预设的速率缓慢、稳定地拉伸样本。

测量：

力传感器实时记录施加在样本上的拉力。

位移传感器记录样本的伸长量。

许多先进的系统会集成光学测量系统，用于实时追踪样本上的局部应变分布，这比单纯的夹头位移更精确。

4. 数据分析：

应力-应变曲线：将记录的力和位移数据，结合样本的原始尺寸，转换为应力和应变，并绘制成曲线。

关键参数计算：

弹性模量：曲线初始线性部分的斜率，代表角膜抵抗拉伸的“刚度"。这是最重要的力学参数之一。

极限拉伸强度：角膜在被拉断前所能承受的最大应力。

断裂应变：角膜在被拉断前能伸长多少。

3. 原位拉伸测试 vs. 临床生物力学测试