年齡對兔眼晶狀體剛度影響的實驗研究

陳維毅，馮鵬飛，王曉君，高志鵬

（太原理工大學 應用力學與生物醫學工程研究所，太原 030024)

晶狀體是眼球屈光系統的重要組成部分，在眼球的屈光系統中發揮著至關重要的作用，也是唯一具有調節能力的屈光間質。晶狀體為具有彈性的雙凸透明體，外包薄層晶狀體囊，囊壁由基質和膠原纖維組成。內部分為外周的皮質和中央的晶狀體核。皮質的前表面有一層立方形細胞構成的晶狀體上皮。在赤道部，細胞逐漸變成長柱狀，稱之為晶狀體纖維。晶狀體內無血管和神經，靠房水供給營養［1］。

老視是隨著年齡的增長而出現的視近困難，是一種正常的生理現象，并非屈光不正。隨著年齡的增長，晶狀體剛度的增加是引起老視的主要因素之一［2-3］。雖然目前就老視的發生機制尚未完全清楚［4-6］，但是晶狀體的生物力學性能與老視有著密切的聯系。Fisher等［7］通過高速旋轉離心法測量人眼晶狀體的整體剛度，得到了與年齡相關的晶狀體的準靜態剛度。Henk A.Weeber等［8］測量了人眼晶狀體的剪切柔量，結果表明，人眼晶狀體的剪切柔量隨著年齡的增長呈指數方式降低。Todd N.Erpelding等［9］通過聲輻射力的方法測量了豬眼晶狀體的彈性，結果表明，晶狀體核的剛度比晶狀體皮質的剛度大，同時豬眼晶狀體的剛度隨著年齡的增長而增大。Matthew A.Reilly等［10］自制了一臺四臂晶狀體拉伸儀，通過四臂拉伸儀對豬眼晶狀體進行拉伸實驗，結果表明，隨赤道位移的增加，拉伸載荷呈非線性增大，同時豬眼晶狀體的前表面曲率變小。Hussein Baradia等［11］測量了老鼠晶狀體的剛度，結果表明，年齡大的晶狀體剛度比年齡小的大。Noel M.Ziebarth等［12］通過原子力顯微鏡測量了人類與其他靈長類動物晶狀體囊的剛度，得出晶狀體囊的剛度隨著年齡的增長而增大。

國內關于晶狀體力學性能的研究很少，本文通過對不同年齡兔眼的晶狀體分別進行壓縮、拉伸實驗，測量其剛度隨年齡的變化情況。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

本實驗選取3月、6月、9月齡健康的新西蘭大白兔各10只，由山西醫科大學實驗動物中心提供。

1.2 實驗器材及環境

Instron5544試驗機，用于對兔眼晶狀體施以連續壓縮載荷控制并記錄位移；自制玻璃小室（底部磨砂)，用以放置晶狀體，并防止在受壓過程中晶狀體的滑動；自制夾條，拉伸實驗時用以固定鞏膜；NIKON D3100單反相機，用于拍攝拉伸時晶狀體赤道直徑的變化；載玻片，用以給鞏膜施加固定載荷；托盤，放置載玻片；摘取眼球和晶狀體所需的手術刀、直鑷、彎鑷、直剪等手術器械；PBS緩沖液。實驗環境溫度為29℃，相對濕度為51%。

1.3 壓縮實驗的方法及步驟

將晶狀體置于PBS緩沖液中，在晶狀體的豎直方向上通過壓頭施以壓縮載荷，具體步驟如下。

1)從兔耳緣靜脈注射空氣處死實驗動物。

2)用直鑷撐開兔眼瞼，用直剪去除球結膜和眼球周圍所附帶的肌肉，剪斷視神經將眼球取出，從眼球的后極剪開，逐漸向前極剪至角膜鞏膜緣。然后在冠狀面切開暴露出晶狀體，剪斷連在晶狀體上的睫狀小帶后取出晶狀體，去除殘余睫狀小帶并用吸紙吸干凈晶狀體上的水分，放在電子秤上稱其質量。

3)打開Instron5544試驗機，將裝有晶狀體和PBS緩沖液的玻璃小室放置于試驗機的壓頭下，調整其位置，使晶狀體的極軸與壓頭中心處于同一豎直線上，拍下照片作為初始狀態。

4)將壓頭的速度設為1.8mm／min進行壓縮，直到壓破為止。

兔眼晶狀體壓縮實驗的示意圖如圖1所示。

圖1 壓縮實驗示意圖

1.4 拉伸實驗的方法及步驟

拉伸實驗是將鞏膜四等分后，將鞏膜條帶用自制的夾條固定并連以托盤，每次在托盤上加一個載玻片用以施加對晶狀體的拉伸載荷。具體步驟如下：

1)從兔耳緣靜脈注射空氣處死實驗動物，去除眼球外組織并取出眼球；

2)將眼球取出后，從眼球的后極剪開并對鞏膜進行等分，剪成約6mm寬的條帶，將鞏膜條帶用夾條固定并連以托盤，記為初始狀態，如圖2所示。

3)在托盤上每加一個載玻片即拍攝一張圖片。

2 數據處理

2.1 兔眼晶狀體壓縮實驗的數據處理

圖2 拉伸實驗晶狀體的初始狀態

用Image Pro5.1軟件對拍攝所得到的圖片進行測量（精度±30μm)，測出每個兔眼晶狀體的初始厚度和赤道直徑，在壓縮過程中兔眼晶狀體厚度的變化可通過壓頭的位移來表示。壓縮過程中Instron 5544所記錄的載荷—位移曲線如圖3所示。

圖3 壓縮載荷與壓縮位移曲線

選取壓縮位移在0.24～1.00mm內的數據進行處理。晶狀體是生物組織體，非標準試件，為了更好地進行比較，作以下定義。

定義壓縮載荷下的名義壓縮應力為：

式中：F1是壓縮載荷；S1是壓縮前晶狀體赤道部的截面積，S1＝.

定義壓縮載荷下的名義壓縮應變為：

式中：δ0是晶狀體的原始厚度，δ0-δ是在壓縮過程中晶狀體厚度的變化量，即壓縮位移。

將每組名義壓縮應力和名義壓縮應變用函數y＝ax進行擬合，所得曲線的斜率就是名義壓縮模量EY。最后求出各年齡段的平均名義壓縮模量并進行比較。

2.2 兔眼晶狀體拉伸實驗的數據處理

用Image Pro5.1軟件對拍攝所得到的圖片進行測量，測出每個拉伸載荷下晶狀體的赤道直徑的變化，并作以下定義。

定義拉伸載荷下的名義拉伸應力為：

式中：F2是晶狀體所受到的拉力；S2是拉伸前晶狀體在矢狀面上的投影面積，S2＝δd，如圖4所示。

圖4 晶狀體在矢狀面上的投影面積

定義拉伸載荷下的名義拉伸應變為：

式中：d0是晶狀體的初始赤道直徑，d-d0是拉伸過程中晶狀體赤道直徑的變化量。

取同一年齡段所有晶狀體試樣的名義拉伸應力和名義拉伸應變作出一張散點圖，用函數y＝ax進行擬合，所得曲線的斜率即為該年齡段的名義拉伸模量，用EL表示。

3 結果與分析

3.1 各年齡段兔眼晶狀體的質量、厚度、直徑及壓縮破壞載荷

壓縮實驗前測得的晶狀體質量、厚度、赤道直徑及壓縮實驗中記錄的壓縮破壞載荷結果如表1所示。從中可見，兔眼晶狀體的質量、厚度、赤道直徑及壓縮破壞載荷隨著年齡的增長都呈增大的趨勢。

表1 各年齡段兔眼晶狀體的質量、厚度、赤道直徑及壓縮破壞載荷

3.2 各年齡段兔眼晶狀體平均壓縮載荷與厚度變化的關系

圖5是各年齡段兔眼晶狀體平均壓縮載荷與厚度變化的關系。當壓縮載荷相同時，年齡小的兔眼晶狀體厚度變化大。說明年齡大的兔眼晶狀體抵抗變形的能力強，剛度大。

圖5 各年齡段兔眼晶狀體平均壓縮載荷與厚度變化的關系

3.3 各年齡段兔眼晶狀體的平均名義壓縮模量

圖6是3月齡單個兔眼晶狀體的名義壓縮應力與名義壓縮應變關系，所擬合直線的斜率就是名義壓縮模量。分別根據各年齡段晶狀體的名義壓縮應力與名義壓縮應變擬合直線，得到相應的名義壓縮模量，并進行算術平均，得到3月、6月、9月齡的平均名義壓縮模量分別為（1.21±0.19)kPa，（2.62±1.13)kPa，（6.46±2.92)kPa，如圖7所示。由圖7看出，隨著年齡的增長，兔眼晶狀體剛度逐漸增大，變得更硬。

圖6 名義壓縮應力與名義壓縮應變關系

圖7 平均名義壓縮模量隨年齡的變化

3.4 各年齡段兔眼晶狀體的名義拉伸模量

圖8 拉伸載荷下6月齡全部兔眼晶狀體試樣的名義應力-應變散點圖和擬合結果

圖8是6月齡全部兔眼晶狀體試樣的名義拉伸應力-應變的散點圖及其擬合結果，其名義拉伸模量為（19.45±1.24)kPa。同樣可得9月齡兔眼晶狀體的名義拉伸模量為（29.60±2.25)kPa。將擬合結果對比分析得出：9月齡兔眼晶狀體的名義拉伸模量比6月齡的大，如圖9所示。

圖9 名義拉伸模量隨年齡的變化

4 結論

隨著年齡的增長，兔眼晶狀體的質量、厚度、赤道直徑及壓縮破壞載荷都逐漸增大。當壓縮載荷相同時，兔眼晶狀體厚度的變化隨年齡的增長而變小；定義了壓縮載荷下的名義壓縮應力和名義壓縮應變后，得到3月、6月、9月兔眼晶狀體在壓縮位移為0.24～1.00mm范圍內的平均名義壓縮模量分別為（1.21±0.19)kPa，（2.62±1.13)kPa，（6.46±2.92)kPa，即兔眼晶狀體的平均名義壓縮模量隨著年齡的增長而增大。說明隨著年齡的增長，兔眼晶狀體剛度逐漸增大，變得更硬。該結論與Helmholtz老視發生機制的理論相一致。定義了拉伸載荷下的名義拉伸應力和名義拉伸應變后，得出9月齡兔眼晶狀體的名義拉伸模量比6月齡的大。

壓縮和拉伸實驗的誤差主要來自赤道直徑的測量，拉伸實驗同時還可能存在兩個拉伸方向上受力不均的影響。如何改進測量手段，減少或排除拉伸時受力不均的影響，仍需進一步研究。

隨著老齡化社會的來臨，老視的問題越來越引起人們的關注［13-14］。目前老視的治療除了傳統的配戴眼鏡外，還有從角膜、晶狀體、鞏膜等不同角度來進行老視的治療［15-17］，但都有其弊端和手術風險。雖然老視的發生機制還不是非常清楚，基于Helmholtz調節理論，老視主要是由于晶狀體剛度的增加而引起的，因此治療老視要從改善晶狀體的彈性入手。本實驗也證實，新西蘭大白兔隨著年齡的增長，晶狀體的剛度逐漸增大。可以考慮以新西蘭大白兔為動物模型，通過物理、化學等方法來改善晶狀體的彈性，并通過本文采用的實驗方法來檢測其力學性能的改善狀況，為檢驗上述療法的有效性提供實驗手段。

［1］鄒仲之.組織與胚胎學［M］.北京：人民衛生出版社，2002：97-98.

［2］Atchison D A.Accommodation and presbyopia［J］.Ophthalmic Physiol Opt，1995，15（4)：255-272.

［3］Gilmartin B.The aetiology of presbyopia：a summary of the role of lenticular and extralenticular structures［J］.Ophthalmic Physiol Opt，1995，15（5)：431-437.

［4］張麗云.調節機制和老視的研究［J］.國外醫學眼科學分冊，2001，25（5)：303-306.

［5］余梓逵，周紹榮.調節機制研究進展［J］.眼科研究，2004，22（5)：554-556.

［6］Strenk S A，Strenk L M，Koretz J F.The mechanism of presbyopia［J］.Progress in Retinal and Eye Research，2005，24：379-393.

［7］Fisher R F.The elastic constants of the human lens［J］.J Physiol（London)，1971，212：147-180.

［8］Weeber H A，Eckert Gabi，Soergel Fritz，et al.Dynamic mechanical properties of human lenses［J］.Experimental Eye Research，2005，80：425-434.

［9］Erpelding T N，Hollman K W，O’Donnell Matthew.Mapping age-related elasticity changes in porcine lenses using bubblebased acoustic radiation force［J］.Experimental Eye Research，2007，84：332-341.

［10］Reilly M A，Hamilton P D，Ravi Nathan.Dynamic multi-arm radial lens stretcher：A robotic analog of the ciliary body［J］.Experimental Eye Research，2008，86：157-164.

［11］Baradia Hussein，Nikahd Negin，Glasser Adrian.Mouse lens stiffness measurements［J］.Experimental Eye Research，2010，91：300-307.

［12］Ziebarth N M，Arrieta Esdras，Feuer W J，et al.Primate lens capsule elasticity assessed using atomic force microscopy［J］.Experimental Eye Research，2011，92：490-494.

［13］賀自力.角膜熱成形術治療老視新進展［J］.中國實用眼科雜志，2006，24（6)：552-554.

［14］趙剛平，姜德詠.眼調節機制與老視矯正手術研究新進展［J］.中國實用眼科雜志，2006，24（3)：229-235.

［15］倪海龍，姚克.老視矯正手術方法的現狀和發展趨勢［J］.中國眼科雜志，2005，41（11)：1050-1055.

［16］陳倩.老視手術治療最新進展［J］.國外醫學眼科學分冊，2004，28（5)：303-305.

［17］王華，羅棟強，陳蛟.準分子激光原位角膜磨鑲術治療遠視眼老視的臨床觀察［J］.中華眼科雜志，2008，44（12)：1093-1097.