人工晶状体的压缩力评价

宋婷，冯勤（通信作者），林倩钰，郝琦，陈琼慧

1 浙江省医疗器械检验研究院 （浙江杭州 310018）；2 国家药品监督管理局生物医学光学重点实验室 （浙江杭州 310018）；3 浙江省医疗器械安全性评价研究重点实验室（浙江杭州 310018）

超声乳化联合人工晶状体植入术被广泛应用于临床治疗各类白内障和矫正屈光不正[1]。人工晶状体植入人眼后，主要依靠襻支撑在囊袋或睫状沟中。当人工晶状体压缩至某个给定直径时襻施加的力，称之为压缩力。理想的压缩力不仅能使人工晶状体在眼内维持稳定状态，还能抵抗持久的囊袋收缩。压缩力过大易使两襻轴上囊膜产生褶皱，虽然大部分褶皱对视力无太大影响，但由于人眼上皮细胞沿着褶皱分布，部分褶皱可能转变为线性后囊混浊[2]。压缩力过小则易引起人工晶状体在眼内位置的改变，造成人工晶状体光学主体旋转、偏心和倾斜等，尤其是对于环曲面人工晶状体，将直接影响患者术后的视力[3]。目前行业标准并未对人工晶状体压缩力限值提出要求，本研究通过临床模拟，研究温度、材料、襻型结构对人工晶状体压缩力的影响，分析人工晶状体压缩力大小的决定因素，为制定压缩力限值提供参考依据，以期为白内障手术医师选择人工晶状体提供参考。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

利用温控模块模拟眼内房水环境，并通过模拟睫状肌收缩扩张运动圆弧形设计的测座和精度为0.001 mN 的压力传感器，将人工晶状体限位于某个处方直径且主体可自由移动，从而得到襻产生的压缩力数值，试验装置原理图见图1。

图1 试验装置原理图

1.2 试验材料

大部分人工晶状体由高分子材料制成，主要分为硬性材料和软性材料。硬性材料如聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA），软性材料如硅凝胶、水凝胶、疏水性丙烯酸酯、亲水性丙烯酸酯等。与硬性材料相比，软性材料比重低，制成的人工晶状体更轻[4]。常见的襻型有C 型、L 型、板型、盘型、水滴形、蝶型等。

本研究主要考察目前市场上较为常见的PMMA材料和丙烯酸酯类材料制成的人工晶状体在不同温度及压缩直径下压缩力的变化。通过分析C 型襻、L 型襻、改良C 型襻人工晶状体（图2）压缩力随压缩直径的变化，研究人工晶状体的襻型对压缩力的影响，并以L 型襻为例，分析人工晶状体的襻型几何结构参数与压缩力的关联性。

图2 人工晶状体襻型结构示意图

1.3 试验方法

参照YY 0290.3-2018《眼科光学人工晶状体第3 部分：机械性能及测试方法》[5]中附录A 的方法。使用压缩力测量装置，实验前在温控模块中加入足够的0.9%氯化钠溶液，升温至（35±2）℃，至少平衡30 min。通过调节与观察模块相邻的螺旋测微器，将压缩直径调整至10 mm，并将与右侧测座相连的螺旋测微器读数清零，以此方式确定右侧测座的零位。将右侧测座向右移动，使人工晶状体处于无压缩状态并置于两测座上，向左缓慢移动右侧测座，每隔0.1 mm 记录数据采集模块示数，直至零位；在零位处，通过调节温控模块，温度从23 ℃升高至40 ℃，每隔1 ℃记录1 次数据采集模块示数。

2 结果与讨论

2.1 不同材料人工晶状体的压缩力随压缩直径变化

将总直径为13.0 mm、不同材料的C 型襻人工晶状体分别从无压缩状态压缩至处方直径10 mm 处，得到压缩力变化曲线（图3）。在处方直径处，PMMA 材料人工晶状体的压缩力为1.38 mN，丙烯酸酯类材料人工晶状体的压缩力为0.18～0.25 mN，由这两种材料制成的人工晶状体产生的压缩力，存在数量级的差异。由于PMMA 材料硬度较高，压缩过程中具有良好的弹性，而丙烯酸酯类材料为软性材料，压缩过程中具有一定的柔性，因此材料种类对人工晶状体压缩力的影响主要取决于材料是硬性还是软性。疏水丙烯酸酯类材料人工晶状体压缩力比亲水性丙烯酸酯类人工晶状体的压缩力大0.06 mN，几乎无明显差异，可认为材料对人工晶状体压缩力的影响主要跟材料种类有关，与材料的亲水、疏水性质无关。但压缩过程中疏水性材料结构较为稳定，无明显可见的压缩力下轴向位移发生，而亲水丙烯酸酯类人工晶状体在压缩过程中有明显的迟滞现象，压缩至12.2 mm 位置处时，由于双侧襻结构性变形，人工晶状体产生了沿光轴方向的轴向位移，导致压缩力的非连续性变化。

图3 不同材料人工晶状体压缩力随压缩直径变化的曲线

2.2 不同材料人工晶状体压缩力随温度变化

不同温度条件下，高分子材料在实际应用中会表现出不同的热物理特性[6]。临床人工晶状体植入人体后，随着体温的变化，不同材料人工晶状体的压缩力会发生不同的变化。因此本研究模拟人工晶状体植入人眼内可能发生的温度变化，可得到不同材料人工晶状体压缩力随温度的变化曲线，见图4。在23～40 ℃范围内，随着温度的升高，3 种材料的人工晶状体压缩力均有轻微减小。通过计算3 种材料人工晶状体压缩力数值随温度变化的变异系数（coefficient of variation，CV），得到PMMA 材料、亲水丙烯酸酯类材料、疏水丙烯酸酯类材料的CV值分别为0.031、0.097 和0.030。从材料的变异系数可以看出，亲水性材料对温度有一定的敏感性，但根据传统统计学方法，认为CV ≤0.1 表明研究变量属于弱变异[7]，因此，在23～40 ℃温度范围内，温度变化对人工晶状体压缩力的影响属于弱变异，且人体可达到的温度远低于高分子材料的玻璃化温度[8-10]，在玻璃化温度内聚合物的分子结构相对稳定，因此体温变化引起的压缩力变化基本可忽略。

图4 压缩力随温度变化的曲线

2.3 不同襻型人工晶状体压缩力随压缩直径变化

选择总直径相同的C 型襻、L 型襻、改良C 型襻亲水丙烯酸酯人工晶状体，分别将其压缩直径从12.5 mm 连续变化至10.0 mm，从而得到压缩力随压缩直径变化的曲线，见图5。将3 种襻型人工晶状体压缩力随压缩直径的变化进行线性拟合，得到3 个二元一次方程模型，其线性拟合优度R2均大于0.9，可认为线性模型的拟合程度良好。由方程的斜率可知，3 种襻型结构的人工晶状体，随着压缩直径的变化，压缩力的变化率不同，C 型襻人工晶状体压缩力变化率最大为0.356，L 型襻和改良C 型襻人工晶状体压缩力变化率接近，分别为0.144 和0.160。

图5 不同襻型人工晶状体压缩力随压缩直径变化的曲线

3 种襻型人工晶状体除了压缩过程中的压缩力变化率不同之外，处方直径处的压缩力也不同。处方直径处C 型襻人工晶状体压缩力为0.9 mN左右，L 型襻和改良C 型襻人工晶状体压缩力为0.3 ～0.4 mN。这是因为改良C 型襻在襻的中间做了镂空设计，当襻被压缩时，内部中空结构会使襻的边缘向内凹陷，分散了部分压缩力。L 型襻在襻与人工晶状体主体接触处进行了拐点设计，使襻受压缩时可通过向内折叠平衡一部分压缩力，将力转化为襻的机械形变，以增加人工晶状体在囊袋内的稳定性。对襻的改良除了保证人工晶状体在眼内位置的稳定性外，还应尽量减少压缩力下轴向位移的产生，降低术后眼内间隙过小的风险。

2.4 襻型几何结构与压缩力的相关性分析

以L 型襻为例，将L 型襻几何结构分解为以下几个参数：襻的长度（LAB）、宽度（W）、厚度（T）、张开角（θ）、拐点曲率半径（r）、襻与主体连接处的宽度（LCE）和长度（LCD），见图6。通过6 个总直径为13.0 mm、中光焦度、疏水性丙烯酸酯材料制成的L 型襻人工晶状体模型，研究几何结构设计参数对压缩力的影响，运用Origin 2018 软件分析LAB、W、T、θ、r、LCE、LCD等因素与人工晶状体压缩力的相关性。

图6 L 型襻几何结构示意图

实验得到6 个不同几何参数设计的L 型襻人工晶状体的压缩力为0.2～0.7 mN，分别对7 个几何结构的设计参数进行分布拟合，各参数与压缩力之间符合正态分布。通过软件计算皮尔逊相关系数，得到襻几何结构参数与压缩力的相关系数。图7（a）显示人工晶状体压缩力与LAB、W、T、θ、r、LCD成正相关，与LCE成负相关，其中W与压缩力的皮尔逊相关系数达到0.96，为高度相关；θ与压缩力的皮尔逊相关系数达到0.57，为中度相关；T和LCD与压缩力的皮尔逊相关系数大于0.3，为低度相关；LAB、r、LCE与压缩力的皮尔逊相关系数低于0.3，几乎不相关。

图7 L 型襻几何结构参数与压缩力的相关性

图7（b）表明，L 型襻的各个几何结构参数之间也存在复杂的关联，LAB主要与LCE成高度负相关；W主要与T成中度正相关；θ与r成中度正相关；r与T成中度负相关、与LCE成中度负相关。以上结果说明，襻的压缩力与其几何参数设计结构有关。Cabeza-Gil 等[11-12]的研究也表明，人工晶状体襻型的几何结构会影响人工晶状体的机械稳定性。

3 总结

临床人体眼内温度变化对人工晶状体压缩力的影响基本可忽略，人工晶状体的材料特性和襻型结构是导致人工晶状体压缩力大小差异的主要因素。相同襻型结构及压缩直径下，PMMA 材料人工晶状体压缩力远大于丙烯酸材料，软性亲水丙烯酸酯材料制成的人工晶状体压缩过程中更易产生轴向位移，过大的轴向位移可能带来一定的临床危害。L 型和改良C 型襻设计对压缩力的贡献相当，相对于C 型襻可获得更小的压缩力。襻的几何设计参数中，LCE、θ及T与人工晶状体压缩力呈现较高的相关性。

不同设计的人工晶状体受到压缩时稳定性的表现不同，设计初期应对人工晶状体的材料选择和襻型设计进行充分验证，合理选择人工晶状体的材料并设计襻的结构，以确保人工晶状体的安全性和有效性。手术医师选择人工晶状体时，不仅要考虑患者的视力需求，还要考虑人工晶状体材料和襻的结构，尽可能选择眼内稳定性强的襻型设计，尤其是多焦和环曲面设计的人工晶状体，避免人工晶状体在眼内发生倾斜、旋转和偏心，进而影响术后视觉水平。