角膜生物力学的研究进展

刘金玲　连玲艳　张晓融

摘 要：角膜的胶原纤维对维持角膜的透明状态起着主要作用，因此，角膜的生物力学特性的变化影响着眼球的屈光改变。近年来，对角膜的生物力学特性及其对角膜疾病影响的研究越来越多。本文将探讨角膜的材料结构、力学特性的测量方法及其在眼部相关疾病的研究。

关键词：胶原纤维；生物力学；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质。角膜呈前凸状态，是透明的横椭圆型组织。基质层占整个角膜厚度的 90%，基质层由大量的胶原纤维组成，胶原纤维在不同层面之间粗细、大小、方向不一致，但在同一层面之间相同。规则排列的胶原纤维维持着角膜的透明状态，当基质层胶原纤维在受到外伤或因疾病发生改变时，胶原纤维的排列会发生变化，角膜的透明性下降而影响角膜的屈光状态。基质层胶原纤维也是角膜抗拉力的重要组成因素，胶原纤维的改变会影响角膜的生物力学特性的改变，从而影响整个眼球的屈光状态。

1 角膜的结构

角膜是一种具有各向异性的生物材料，角膜基质层胶原纤维的走向和胶原纤维内部的走向是按照首选的方向分布[ 1 ]。分离不同方向角膜周边50%基质厚度所需的力是不同的[ 2 ]，鼻侧周边和颞侧周边较高，下方周边的平均粘着力较低，这就是角膜外伤时多从下方穿孔和破裂的原因。角膜板层胶原排列从浅到深，从中央到周边，周边纤维更加致密，极性更强[ 3 ]。这些研究对圆锥角膜和一些角膜扩张性疾病的研究会有帮助。

2 角膜生物力学的测量方法

角膜是一种具有粘弹性的生物材料，描述它的生物力学性能指标有弹性模量和泊松比。角膜的生物力学的测量方法有很多种，主要分为离体和活体测量法。离体测量有轴向拉伸法、角膜膨胀法。活体测量法包括眼反应仪测量。几种方法各有优缺点，尚无一种方法能全面反映角膜全部的生物力学特征。

轴向拉伸法是使用生物力学机进行单向拉伸及双向拉伸的方法。由于人角膜取材困难，国内外人角膜生物力学研究很少有系统报道。曾衍钧等[ 4 ]用单轴拉伸法测量得出猪角膜最大强度接近人角膜最大强度，杨坚等[ 5 ]将人角膜与猪角膜进行了比较，得出与曾衍钧相同的结论，但两者在应力松弛存在较大的差异。轴向拉伸法操作简单，测量方便，但是因为改变了角膜本身的形状，误差较大。

角膜膨胀法是指把附带巩膜的完整角膜固定在一个密闭的容器上，向容器内注入生理盐水来模拟眼内压的变化，并记录眼内压与角膜形变之间的关系。角膜膨胀法克服了轴向拉伸法的缺点，更接近在体角膜的受力情况，可操控、可重复，但是压力不好控制而易产生误差，且因角膜不同轴向弹性模量不同，无法准确测量不同轴向的弹性模量。

活体测量法有眼反应仪（ocular response analyzer ORA）测量，它通过动态双向压平来测量角膜生物力学指标。它能测量正常及异常角膜的变形，此方法方便、实用，但目前尚无建立ORA参数与生物力学参数的关系。

3 生物力学在眼部相关疾病中的研究进展

3.1 LASIK

准分子激光原位角膜磨镶术（1aserin situ keratomi-leusis，LASIK）是近20年来矫正近视的最主要的手术，因其视力提高快、手术时间短、并发症少，被越来越多的医生和患者所接受。因其手术成功率高，轻微的术后不适症状都会给患者带来心理的不良影响，所以术后并发症倍受关注。LASIK术后最常见的主诉是虹视，主要原因就是术后角膜基质层胶原纤维被去除后剩余胶原纤维排列不规则，从而引起光线的折射和散射。最主要的并发症就是残留角膜扩张的问题，因为角膜瓣的环形切割导致了角膜的应力发生改变。准分子激光手术为切削角膜基质层从而达到改变屈光状态，根据手术量的不同，角膜切削量亦会不同。有研究[ 6 ]发现随着角膜基质厚度的破坏，角膜很容易发生形变，也更容易导致角膜扩张。角膜的抗拉力主要取决于角膜的胶原纤维和胶原纤维的排列组成，这些胶原纤维分布于占90%角膜厚度的角膜基质层，是抗拉力最主要的组成部分。角膜基质切削量越大，残留基质越小，术后角膜抗拉力越小，越容易发生形变。因过度切削导致准分子激光术后继发圆锥角膜和角膜扩张的病例时有报道。当角膜基质切削量控制在30%全角膜厚度以内，手术是安全的。当切削量大于全角膜厚度的50%，角膜的抗拉力下降，更容易发生扩张。生物力学的研究及力学模型的建立，可以确立准分子激光手术的最大切削量及预测术后效果，最大化的避免术后并发症的发生。

3.2 圆锥角膜

角膜病是最常见的眼病之一。圆锥角膜的病因不清，可能与多种因素相关。主要病理改变为角膜前、后弹力层断裂，基质中降解胶原纤维的细胞外基质因子和蛋白酶上调，降解基质层胶原纤维，导致基质局域性进行性变薄，角膜前凸，常伴有高度不规则散光，多在20岁以内出现明显的圆锥而影响视力。圆锥角膜的发病率在性别之间无明显差异[ 7 ]。圆锥角膜组织的机械强度下降，通常是正常值的一半，引起角膜膨隆[ 8 ]。圆锥角膜病人角膜滞后量和阻力因子量均较正常角膜低，且与角膜变薄的程度正相关。

3.3 紫外光核黄素交联疗法

鉴于其生物力学的变化，紫外光核黄素交联疗法是最近几年治疗圆锥角膜等角膜扩张疾病及角膜溃疡的新方法，使角膜基质层胶原纤维发生化学交联反应，改变胶原纤维的直径和结构，从而提高角膜基质的机械强度[ 9 ]，从而阻止圆锥角膜的病理性扩张。并且角膜应力的提高和角膜厚度的增加发生在前部角膜基质，后部角膜基质无改变，因为70%的紫外光被前部200微米的角膜基质吸收，只有20%被后部200微米的角膜基质吸收，因此内皮及眼内较少受到损伤。紫外光核黄素交联疗法有望成为代替角膜移植手术的保守治疗手段，有效缓解临床上角膜供体不足的难题。

紫外光核黄素交联疗法的不良反应主要是光化学效应带来的角膜损伤、视网膜毒性，所以在治疗过程中，基本条件之一是剩余角膜厚度要大于400微米，才能有效保证在治疗过程中有足够的角膜基质层以保护角膜内皮。

3.4 生物力学模型

生物力学模型的建立，可以评估及预测角膜手术术后效果。如建立PK术后的分析型模型，以推测术后可能效果及并发症。

综上所述，眼角膜的生物力学特性，可以更好的研究眼部疾病，对正确评估屈光手术后的效果有重要意义，更好的推动眼科的发展。

参考文献：

[1] Farrell RA，Wharam JF，Kim D，et al.Polarized light propagation in corneal lamellae [J]. J Refract Surg，1999，15（6）：700-705.

[2] Smolek MK. Interlamellar cohesive strength in the vertical meridianof human eye bank corneas[J].Invest Ophthalmol Vis Sci， 1993，34（10）：2962-2969.

[3] Jeffrey W.Rubert. Corneal Biomechanicsand Biomaterials [J]. AnnuRev Biomed Eng.2011，13（5）：269-295.

[4] 曾衍钧，任庆华，徐巽珠等.猪眼角膜的本构方程和应力松弛.中国生物医学工程学报，1995，14（4）：360-364.

[5] 杨坚，曾衍钧，李志辉.人角膜的生物力学特性.生物物理学报，1999，15（1）：208-214.

[6] Dupps WJ Jr，WilsonSE. Biomechanicals and wound healing in the cornea[J].Exp Eye Res，2006，8（1）：709-720.

[7] Rabinowitz YS， Keratoconus. Survey of Ophthalmology， 1998，42（4）：297-319.

[8] Sawagamuchl S，Yue BYT，Sugar J，et a1. Lysosomal abnormalities in keratoconus. Arch Ophthalmol，1989，107（10）：1507-1510.

[9] Hoyer A，Raiskup-Wolf F，Sporl E，et a1.Collagen cross-linking with riboflavin and UVA light in keratoconus-results from dresden.Ophthalmology，2009，106（2）：133-140.

通信作者：張晓融。