探秘眼角膜的“韧性”：双轴力学测试的目的与标准

眼角膜，作为眼球最前部的透明窗口，不仅是光线进入眼睛的第一道关口，更承担着维持眼球形态和提供大部分屈光力的重任。长久以来，我们关注其透明度与曲率，却对其内在的“力学特性"知之甚少。随着生物力学研究的深入，科学家们发现，角膜的力学性能与其健康、疾病及手术效果息息相关。而双轴力学测试，正是揭开角膜力学奥秘的核心技术之一。

一、 为何要进行双轴力学测试？——多重目的解析

传统的单轴拉伸测试只能模拟单一方向的受力，这与角膜在眼内实际承受的复杂应力状态相去甚远。眼内压使角膜像一个充气的球壳，向其施加均匀的、向四周扩张的张力。双轴测试正是为了模拟这种真实的生理负载环境，其核心目的包括：

1. 揭示真实的材料本构关系：

在双轴载荷下，研究人员可以获取角膜组织在两个互相垂直方向上的应力-应变关系。这有助于建立更精确的数学（本构）模型，描述角膜作为一种生物复合材料（主要由胶原纤维基质和细胞组成）的非线性、各向异性和粘弹性行为。

2. 理解角膜疾病的生物力学机制：

圆锥角膜 是最典型的与角膜力学衰弱相关的疾病。通过双轴测试，可以清晰地发现圆锥角膜组织的刚度显著低于健康角膜，更容易在眼压作用下发生变形和膨出。这对于理解疾病成因、早期诊断和评估病情进展至关重要。

3. 评估角膜屈光手术的安全性：

LASIK、SMILE等手术通过改变角膜形态来矫正视力，但手术切削会不可避免地改变其力学结构。双轴测试可以量化手术前后角膜刚度的变化，评估术后角膜抵抗眼压的“力学储备"是否充足，从而预测术后角膜膨隆等并发症的风险，为手术方案优化提供数据支持。

4. 指导角膜交联手术的疗效评估：

角膜交联术是治疗圆锥角膜的核心方法，其原理是利用核黄素和紫外线A照射来增加胶原纤维间的化学键，从而增强角膜刚度。双轴测试是评估交联效果最直接，能够精确测量交联后角膜刚度的提升幅度。

5. 推动生物工程角膜的研发：

人造角膜或角膜支架是未来的重要方向。双轴测试可以确保这些替代材料具有与天然角膜相匹配的力学性能，既能承受眼内压，又能保持稳定和透明，避免因力学失配导致的移植失败。

二、 如何进行测试？——核心流程与关键标准

双轴力学测试是一项精密的生物力学实验，其流程严谨，需要遵循一定的标准和规范以确保数据的可靠性和可比性。

基本测试流程：

1. 样本制备： 通常从捐献的眼球上获取角膜，并将其切割成标准的“十字形"或“方形"试样。十字形试样能有效避免夹具处的应力集中，是更优的选择。

2. 夹具与加载： 将试样的四个臂分别固定在两两相对的精密夹具上。夹具连接到力学试验机的作动器上，可以独立或同步地在X和Y方向施加位移或力。

3. 环境模拟： 整个测试过程通常在恒温（如34-37°C，模拟眼内温度）的生理盐水或PBS溶液中进行，以保持角膜组织的活性和水合状态。

4. 加载协议：

等双轴加载： X和Y方向施加相同的位移或力。最基础的协议，模拟均匀的眼内压。

非等双轴加载： 在两个方向上施加不同比例的载荷，用于研究角膜的各向异性（如由于上下眼睑压力导致的水平与垂直方向力学性能差异）。

应力松弛/蠕变测试： 施加一个阶跃的应变并保持，观察应力随时间衰减的过程（应力松弛），或施加一个恒定的应力观察应变随时间增加（蠕变），用以研究角膜的粘弹性。

5. 数据采集： 试验机记录载荷和位移数据，同时结合数字图像相关（DIC） 等光学测量技术，非接触式地实时追踪试样表面的全场应变分布，这是获取准确力学参数的关键。

关键测试标准与考量：

尽管目前尚无全球统一的工业标准，但学术界已形成广泛共识：

1. 样本水合控制： 角膜的力学性能对其水合状态极其敏感。水合度轻微变化就会导致刚度显著改变。因此，严格控制测试环境和水合时间是获得可重复数据的首要前提。

2. 加载速率： 加载速率影响粘弹性组织的响应。为了模拟生理条件下的准静态负载，通常采用极慢的应变率（例如 0.1 %/s 至 1 %/s）。

3. 预调处理： 对样本施加数个加载-卸载循环，直至应力-应变曲线稳定，以消除因样本处理和初始状态不一致带来的误差。

4. 应变测量方法： 必须使用非接触式光学测量（如DIC）。仅依靠作动器的位移计算应变会严重低估实际应变，因为它无法排除夹具滑动和样本在夹具根部变形的干扰。

5. 数据报告规范： 研究报告应明确说明样本来源（物种、年龄、健康状况）、储存条件、试样几何形状、水合控制方法、加载协议、应变测量方法以及所使用的本构模型。

三、 挑战与未来展望

双轴力学测试也面临一些挑战：

样本来源稀缺： 高质量的人体角膜样本难以获取。

个体差异性大： 年龄、性别、病史等因素导致数据离散度较高。

在体与离体的差异： 离体测试无法复现活体内角膜的生理环境（如细胞活性、神经调节等）。

未来，该领域的发展趋势将集中在：

微型化与在体测试技术： 开发能够在活体眼睛上进行无损力学测量的技术，如 Brillouin 显微镜、光学相干弹性成像（OCE），与离体测试数据相互验证。

多尺度建模： 将宏观的双轴测试数据与微观的胶原纤维结构信息相结合，建立从分子到组织水平的跨尺度力学模型。

标准化进程： 推动全球科研机构采纳更统一的测试规范，促进数据的共享与比较。

结语

眼角膜双轴力学测试，如同一把精密的“力学尺"，为我们精准丈量这片透明组织的内在韧性。它不仅深化了我们对眼部生理和疾病机制的理解，更直接指导着屈光手术的安全边界和新型疗法的开发。随着技术的不断标准化和革新，这门“测量角膜力量"的科学，必将为全球数百万角膜疾病患者带来更光明、更清晰的未来。