角膜生物力學：解密眼角膜的“韌性”

角膜生物力學：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響應，從而獲得其最根本的力學屬性，如應力-應變關系、彈性模量、極限拉伸強度等。

1. 測試目的與重要性

這種測試主要用于基礎科學研究和應用工程研究，目的包括：

建立精確的眼角膜本構模型：了解角膜在不同方向、不同速率載荷下的力學行為，為計算機模擬提供準確的輸入參數。

研究眼部疾病機制：探究圓錐角膜、角膜膨隆等疾病如何改變角膜的生物力學性能。

評估手術效果：研究激光手術、角膜交聯術等如何影響角膜的力學強度。

開發新型材料：為設計人工角膜、角膜植入物提供力學性能對標。

驗證臨床設備：將離體測試得到的“真實"力學數據與ORA等臨床設備的測量結果進行對比和校準。

2. 測試流程與方法

這是一個高度標準化的實驗室流程：

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準形狀（如啞鈴狀、條帶狀），以確保測試區域的應力分布均勻。

2. 安裝與環境控制：

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境模擬槽中，槽內充滿恒溫的生理鹽水，以保持角膜組織的濕潤和生理狀態。

3. 施加載荷與數據采集：

拉伸：拉伸臺以預設的速率緩慢、穩定地拉伸樣本。

測量：

力傳感器實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。

許多優良的系統會集成光學測量系統，用于實時追蹤樣本上的局部應變分布，這比單純的夾頭位移更精確。

4. 數據分析：

應力-應變曲線：將記錄的力和位移數據，結合樣本的原始尺寸，轉換為應力和應變，并繪制成曲線。

關鍵參數計算：

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"。這是最重要的力學參數之一。

極限拉伸強度：角膜在被拉斷前所能承受的最大應力。

斷裂應變：角膜在被拉斷前能伸長多少。

3. 原位拉伸測試 vs. 臨床生物力學測試