年龄对兔眼晶状体刚度影响的实验研究

陈维毅，冯鹏飞，王晓君，高志鹏

（太原理工大学 应用力学与生物医学工程研究所，太原 030024)

晶状体是眼球屈光系统的重要组成部分，在眼球的屈光系统中发挥着至关重要的作用，也是唯一具有调节能力的屈光间质。晶状体为具有弹性的双凸透明体，外包薄层晶状体囊，囊壁由基质和胶原纤维组成。内部分为外周的皮质和中央的晶状体核。皮质的前表面有一层立方形细胞构成的晶状体上皮。在赤道部，细胞逐渐变成长柱状，称之为晶状体纤维。晶状体内无血管和神经，靠房水供给营养［1］。

老视是随着年龄的增长而出现的视近困难，是一种正常的生理现象，并非屈光不正。随着年龄的增长，晶状体刚度的增加是引起老视的主要因素之一［2-3］。虽然目前就老视的发生机制尚未完全清楚［4-6］，但是晶状体的生物力学性能与老视有着密切的联系。Fisher等［7］通过高速旋转离心法测量人眼晶状体的整体刚度，得到了与年龄相关的晶状体的准静态刚度。Henk A.Weeber等［8］测量了人眼晶状体的剪切柔量，结果表明，人眼晶状体的剪切柔量随着年龄的增长呈指数方式降低。Todd N.Erpelding等［9］通过声辐射力的方法测量了猪眼晶状体的弹性，结果表明，晶状体核的刚度比晶状体皮质的刚度大，同时猪眼晶状体的刚度随着年龄的增长而增大。Matthew A.Reilly等［10］自制了一台四臂晶状体拉伸仪，通过四臂拉伸仪对猪眼晶状体进行拉伸实验，结果表明，随赤道位移的增加，拉伸载荷呈非线性增大，同时猪眼晶状体的前表面曲率变小。Hussein Baradia等［11］测量了老鼠晶状体的刚度，结果表明，年龄大的晶状体刚度比年龄小的大。Noel M.Ziebarth等［12］通过原子力显微镜测量了人类与其他灵长类动物晶状体囊的刚度，得出晶状体囊的刚度随着年龄的增长而增大。

国内关于晶状体力学性能的研究很少，本文通过对不同年龄兔眼的晶状体分别进行压缩、拉伸实验，测量其刚度随年龄的变化情况。

1 材料与方法

1.1 实验动物

本实验选取3月、6月、9月龄健康的新西兰大白兔各10只，由山西医科大学实验动物中心提供。

1.2 实验器材及环境

Instron5544试验机，用于对兔眼晶状体施以连续压缩载荷控制并记录位移；自制玻璃小室（底部磨砂)，用以放置晶状体，并防止在受压过程中晶状体的滑动；自制夹条，拉伸实验时用以固定巩膜；NIKON D3100单反相机，用于拍摄拉伸时晶状体赤道直径的变化；载玻片，用以给巩膜施加固定载荷；托盘，放置载玻片；摘取眼球和晶状体所需的手术刀、直镊、弯镊、直剪等手术器械；PBS缓冲液。实验环境温度为29℃，相对湿度为51%。

1.3 压缩实验的方法及步骤

将晶状体置于PBS缓冲液中，在晶状体的竖直方向上通过压头施以压缩载荷，具体步骤如下。

1)从兔耳缘静脉注射空气处死实验动物。

2)用直镊撑开兔眼睑，用直剪去除球结膜和眼球周围所附带的肌肉，剪断视神经将眼球取出，从眼球的后极剪开，逐渐向前极剪至角膜巩膜缘。然后在冠状面切开暴露出晶状体，剪断连在晶状体上的睫状小带后取出晶状体，去除残余睫状小带并用吸纸吸干净晶状体上的水分，放在电子秤上称其质量。

3)打开Instron5544试验机，将装有晶状体和PBS缓冲液的玻璃小室放置于试验机的压头下，调整其位置，使晶状体的极轴与压头中心处于同一竖直线上，拍下照片作为初始状态。

4)将压头的速度设为1.8mm／min进行压缩，直到压破为止。

兔眼晶状体压缩实验的示意图如图1所示。

图1 压缩实验示意图

1.4 拉伸实验的方法及步骤

拉伸实验是将巩膜四等分后，将巩膜条带用自制的夹条固定并连以托盘，每次在托盘上加一个载玻片用以施加对晶状体的拉伸载荷。具体步骤如下：

1)从兔耳缘静脉注射空气处死实验动物，去除眼球外组织并取出眼球；

2)将眼球取出后，从眼球的后极剪开并对巩膜进行等分，剪成约6mm宽的条带，将巩膜条带用夹条固定并连以托盘，记为初始状态，如图2所示。

3)在托盘上每加一个载玻片即拍摄一张图片。

2 数据处理

2.1 兔眼晶状体压缩实验的数据处理

图2 拉伸实验晶状体的初始状态

用Image Pro5.1软件对拍摄所得到的图片进行测量（精度±30μm)，测出每个兔眼晶状体的初始厚度和赤道直径，在压缩过程中兔眼晶状体厚度的变化可通过压头的位移来表示。压缩过程中Instron 5544所记录的载荷—位移曲线如图3所示。

图3 压缩载荷与压缩位移曲线

选取压缩位移在0.24～1.00mm内的数据进行处理。晶状体是生物组织体，非标准试件，为了更好地进行比较，作以下定义。

定义压缩载荷下的名义压缩应力为：

式中：F1是压缩载荷；S1是压缩前晶状体赤道部的截面积，S1＝.

定义压缩载荷下的名义压缩应变为：

式中：δ0是晶状体的原始厚度，δ0-δ是在压缩过程中晶状体厚度的变化量，即压缩位移。

将每组名义压缩应力和名义压缩应变用函数y＝ax进行拟合，所得曲线的斜率就是名义压缩模量EY。最后求出各年龄段的平均名义压缩模量并进行比较。

2.2 兔眼晶状体拉伸实验的数据处理

用Image Pro5.1软件对拍摄所得到的图片进行测量，测出每个拉伸载荷下晶状体的赤道直径的变化，并作以下定义。

定义拉伸载荷下的名义拉伸应力为：

式中：F2是晶状体所受到的拉力；S2是拉伸前晶状体在矢状面上的投影面积，S2＝δd，如图4所示。

图4 晶状体在矢状面上的投影面积

定义拉伸载荷下的名义拉伸应变为：

式中：d0是晶状体的初始赤道直径，d-d0是拉伸过程中晶状体赤道直径的变化量。

取同一年龄段所有晶状体试样的名义拉伸应力和名义拉伸应变作出一张散点图，用函数y＝ax进行拟合，所得曲线的斜率即为该年龄段的名义拉伸模量，用EL表示。

3 结果与分析

3.1 各年龄段兔眼晶状体的质量、厚度、直径及压缩破坏载荷

压缩实验前测得的晶状体质量、厚度、赤道直径及压缩实验中记录的压缩破坏载荷结果如表1所示。从中可见，兔眼晶状体的质量、厚度、赤道直径及压缩破坏载荷随着年龄的增长都呈增大的趋势。

表1 各年龄段兔眼晶状体的质量、厚度、赤道直径及压缩破坏载荷

3.2 各年龄段兔眼晶状体平均压缩载荷与厚度变化的关系

图5是各年龄段兔眼晶状体平均压缩载荷与厚度变化的关系。当压缩载荷相同时，年龄小的兔眼晶状体厚度变化大。说明年龄大的兔眼晶状体抵抗变形的能力强，刚度大。

图5 各年龄段兔眼晶状体平均压缩载荷与厚度变化的关系

3.3 各年龄段兔眼晶状体的平均名义压缩模量

图6是3月龄单个兔眼晶状体的名义压缩应力与名义压缩应变关系，所拟合直线的斜率就是名义压缩模量。分别根据各年龄段晶状体的名义压缩应力与名义压缩应变拟合直线，得到相应的名义压缩模量，并进行算术平均，得到3月、6月、9月龄的平均名义压缩模量分别为（1.21±0.19)kPa，（2.62±1.13)kPa，（6.46±2.92)kPa，如图7所示。由图7看出，随着年龄的增长，兔眼晶状体刚度逐渐增大，变得更硬。

图6 名义压缩应力与名义压缩应变关系

图7 平均名义压缩模量随年龄的变化

3.4 各年龄段兔眼晶状体的名义拉伸模量

图8 拉伸载荷下6月龄全部兔眼晶状体试样的名义应力-应变散点图和拟合结果

图8是6月龄全部兔眼晶状体试样的名义拉伸应力-应变的散点图及其拟合结果，其名义拉伸模量为（19.45±1.24)kPa。同样可得9月龄兔眼晶状体的名义拉伸模量为（29.60±2.25)kPa。将拟合结果对比分析得出：9月龄兔眼晶状体的名义拉伸模量比6月龄的大，如图9所示。

图9 名义拉伸模量随年龄的变化

4 结论

随着年龄的增长，兔眼晶状体的质量、厚度、赤道直径及压缩破坏载荷都逐渐增大。当压缩载荷相同时，兔眼晶状体厚度的变化随年龄的增长而变小；定义了压缩载荷下的名义压缩应力和名义压缩应变后，得到3月、6月、9月兔眼晶状体在压缩位移为0.24～1.00mm范围内的平均名义压缩模量分别为（1.21±0.19)kPa，（2.62±1.13)kPa，（6.46±2.92)kPa，即兔眼晶状体的平均名义压缩模量随着年龄的增长而增大。说明随着年龄的增长，兔眼晶状体刚度逐渐增大，变得更硬。该结论与Helmholtz老视发生机制的理论相一致。定义了拉伸载荷下的名义拉伸应力和名义拉伸应变后，得出9月龄兔眼晶状体的名义拉伸模量比6月龄的大。

压缩和拉伸实验的误差主要来自赤道直径的测量，拉伸实验同时还可能存在两个拉伸方向上受力不均的影响。如何改进测量手段，减少或排除拉伸时受力不均的影响，仍需进一步研究。

随着老龄化社会的来临，老视的问题越来越引起人们的关注［13-14］。目前老视的治疗除了传统的配戴眼镜外，还有从角膜、晶状体、巩膜等不同角度来进行老视的治疗［15-17］，但都有其弊端和手术风险。虽然老视的发生机制还不是非常清楚，基于Helmholtz调节理论，老视主要是由于晶状体刚度的增加而引起的，因此治疗老视要从改善晶状体的弹性入手。本实验也证实，新西兰大白兔随着年龄的增长，晶状体的刚度逐渐增大。可以考虑以新西兰大白兔为动物模型，通过物理、化学等方法来改善晶状体的弹性，并通过本文采用的实验方法来检测其力学性能的改善状况，为检验上述疗法的有效性提供实验手段。

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