角膜生物力學的研究進展

劉金玲　連玲艷　張曉融

摘 要：角膜的膠原纖維對維持角膜的透明狀態起著主要作用，因此，角膜的生物力學特性的變化影響著眼球的屈光改變。近年來，對角膜的生物力學特性及其對角膜疾病影響的研究越來越多。本文將探討角膜的材料結構、力學特性的測量方法及其在眼部相關疾病的研究。

關鍵詞：膠原纖維；生物力學；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質。角膜呈前凸狀態，是透明的橫橢圓型組織。基質層占整個角膜厚度的 90%，基質層由大量的膠原纖維組成，膠原纖維在不同層面之間粗細、大小、方向不一致，但在同一層面之間相同。規則排列的膠原纖維維持著角膜的透明狀態，當基質層膠原纖維在受到外傷或因疾病發生改變時，膠原纖維的排列會發生變化，角膜的透明性下降而影響角膜的屈光狀態。基質層膠原纖維也是角膜抗拉力的重要組成因素，膠原纖維的改變會影響角膜的生物力學特性的改變，從而影響整個眼球的屈光狀態。

1 角膜的結構

角膜是一種具有各向異性的生物材料，角膜基質層膠原纖維的走向和膠原纖維內部的走向是按照首選的方向分布[ 1 ]。分離不同方向角膜周邊50%基質厚度所需的力是不同的[ 2 ]，鼻側周邊和顳側周邊較高，下方周邊的平均粘著力較低，這就是角膜外傷時多從下方穿孔和破裂的原因。角膜板層膠原排列從淺到深，從中央到周邊，周邊纖維更加致密，極性更強[ 3 ]。這些研究對圓錐角膜和一些角膜擴張性疾病的研究會有幫助。

2 角膜生物力學的測量方法

角膜是一種具有粘彈性的生物材料，描述它的生物力學性能指標有彈性模量和泊松比。角膜的生物力學的測量方法有很多種，主要分為離體和活體測量法。離體測量有軸向拉伸法、角膜膨脹法。活體測量法包括眼反應儀測量。幾種方法各有優缺點，尚無一種方法能全面反映角膜全部的生物力學特征。

軸向拉伸法是使用生物力學機進行單向拉伸及雙向拉伸的方法。由于人角膜取材困難，國內外人角膜生物力學研究很少有系統報道。曾衍鈞等[ 4 ]用單軸拉伸法測量得出豬角膜最大強度接近人角膜最大強度，楊堅等[ 5 ]將人角膜與豬角膜進行了比較，得出與曾衍鈞相同的結論，但兩者在應力松弛存在較大的差異。軸向拉伸法操作簡單，測量方便，但是因為改變了角膜本身的形狀，誤差較大。

角膜膨脹法是指把附帶鞏膜的完整角膜固定在一個密閉的容器上，向容器內注入生理鹽水來模擬眼內壓的變化，并記錄眼內壓與角膜形變之間的關系。角膜膨脹法克服了軸向拉伸法的缺點，更接近在體角膜的受力情況，可操控、可重復，但是壓力不好控制而易產生誤差，且因角膜不同軸向彈性模量不同，無法準確測量不同軸向的彈性模量。

活體測量法有眼反應儀（ocular response analyzer ORA）測量，它通過動態雙向壓平來測量角膜生物力學指標。它能測量正常及異常角膜的變形，此方法方便、實用，但目前尚無建立ORA參數與生物力學參數的關系。

3 生物力學在眼部相關疾病中的研究進展

3.1 LASIK

準分子激光原位角膜磨鑲術（1aserin situ keratomi-leusis，LASIK）是近20年來矯正近視的最主要的手術，因其視力提高快、手術時間短、并發癥少，被越來越多的醫生和患者所接受。因其手術成功率高，輕微的術后不適癥狀都會給患者帶來心理的不良影響，所以術后并發癥倍受關注。LASIK術后最常見的主訴是虹視，主要原因就是術后角膜基質層膠原纖維被去除后剩余膠原纖維排列不規則，從而引起光線的折射和散射。最主要的并發癥就是殘留角膜擴張的問題，因為角膜瓣的環形切割導致了角膜的應力發生改變。準分子激光手術為切削角膜基質層從而達到改變屈光狀態，根據手術量的不同，角膜切削量亦會不同。有研究[ 6 ]發現隨著角膜基質厚度的破壞，角膜很容易發生形變，也更容易導致角膜擴張。角膜的抗拉力主要取決于角膜的膠原纖維和膠原纖維的排列組成，這些膠原纖維分布于占90%角膜厚度的角膜基質層，是抗拉力最主要的組成部分。角膜基質切削量越大，殘留基質越小，術后角膜抗拉力越小，越容易發生形變。因過度切削導致準分子激光術后繼發圓錐角膜和角膜擴張的病例時有報道。當角膜基質切削量控制在30%全角膜厚度以內，手術是安全的。當切削量大于全角膜厚度的50%，角膜的抗拉力下降，更容易發生擴張。生物力學的研究及力學模型的建立，可以確立準分子激光手術的最大切削量及預測術后效果，最大化的避免術后并發癥的發生。

3.2 圓錐角膜

角膜病是最常見的眼病之一。圓錐角膜的病因不清，可能與多種因素相關。主要病理改變為角膜前、后彈力層斷裂，基質中降解膠原纖維的細胞外基質因子和蛋白酶上調，降解基質層膠原纖維，導致基質局域性進行性變薄，角膜前凸，常伴有高度不規則散光，多在20歲以內出現明顯的圓錐而影響視力。圓錐角膜的發病率在性別之間無明顯差異[ 7 ]。圓錐角膜組織的機械強度下降，通常是正常值的一半，引起角膜膨隆[ 8 ]。圓錐角膜病人角膜滯后量和阻力因子量均較正常角膜低，且與角膜變薄的程度正相關。

3.3 紫外光核黃素交聯療法

鑒于其生物力學的變化，紫外光核黃素交聯療法是最近幾年治療圓錐角膜等角膜擴張疾病及角膜潰瘍的新方法，使角膜基質層膠原纖維發生化學交聯反應，改變膠原纖維的直徑和結構，從而提高角膜基質的機械強度[ 9 ]，從而阻止圓錐角膜的病理性擴張。并且角膜應力的提高和角膜厚度的增加發生在前部角膜基質，后部角膜基質無改變，因為70%的紫外光被前部200微米的角膜基質吸收，只有20%被后部200微米的角膜基質吸收，因此內皮及眼內較少受到損傷。紫外光核黃素交聯療法有望成為代替角膜移植手術的保守治療手段，有效緩解臨床上角膜供體不足的難題。

紫外光核黃素交聯療法的不良反應主要是光化學效應帶來的角膜損傷、視網膜毒性，所以在治療過程中，基本條件之一是剩余角膜厚度要大于400微米，才能有效保證在治療過程中有足夠的角膜基質層以保護角膜內皮。

3.4 生物力學模型

生物力學模型的建立，可以評估及預測角膜手術術后效果。如建立PK術后的分析型模型，以推測術后可能效果及并發癥。

綜上所述，眼角膜的生物力學特性，可以更好的研究眼部疾病，對正確評估屈光手術后的效果有重要意義，更好的推動眼科的發展。

參考文獻：

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

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通信作者：張曉融。