人工晶状体材质特点对视觉质量影响的研究进展

刘 璐,边立娟，石海英，张 辉*

(1.吉林大学第二医院 眼科中心;2.长春市易视顿眼科医院，吉林 长春130041)

白内障是目前最常见的致盲眼病，随着手术技术的提高、设备的改进和人工晶状体(Intraocular lens，IOL)种类的不断创新，白内障患者术后对视力的期望也越来越高[1]。术后获得较好的视觉质量和多种因素息息相关，如术者的手术技巧、患者眼部状态、IOL的性能[2]。其中充分了解IOL的特性，为患者选择合适的、个性化的IOL，减少IOL植入术后的并发症，将为患者带来福音。

1 IOL的发展历史

1766年，意大利眼科医生Tadini第一次提出了IOL的设想，即把椭圆形的人造物体，放置在晶状体的原来位置，以取代晶状体的功能。随后意大利眼科医生Casamata根据Tadini医生的猜想，第一次将类似晶状体形状的玻璃，植入了白内障术后患者的眼中，但以失败告终[3]。20世纪40年代，英国眼科医生Harold Ridley，首次尝试应用对人眼无明显组织反应性的有机玻璃，做成双面凸，边缘薄的椭圆形透镜，这是世界上第一枚比较成熟的放置于虹膜后、晶状体后囊膜前的IOL[4,5]。随后，Harold Ridley医生又发现了眼内组织耐受好、具有生物组织相容性的材料-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。因此，PMMA成为了制造第一批IOL的材料[6]。至此，IOL已经发展了70余年[7]。IOL的材质和制造工艺也有了突飞猛进的进步，人们对IOL性能的要求也越来越高[8]。

2 IOL的材质及其特性

理想的IOL制作材质应具备以下特点：①材料稳定，不与相接触的眼内组织发生物理或化学反应[6]；②组织相容性好，可被机体接受，无过敏，无免疫排斥反应[6]；③能够抵抗机械牵拉，具有一定的塑形性，同时材质不宜过硬，避免与眼内组织发生摩擦。④具有良好的光学特性和光学稳定性，光谱透射特性应与自然晶状体相似，以提高患者术后的视觉质量[6]。自IOL问世以来，人们就在不断的探索最合适的IOL材质，其材质主要分为以下几类。

2.1 硬性IOL材质

PMMA因组织耐受性好，具有良好的生物相容性，最早应用于IOL制造；它有很多优点如：折射指数高(1.49)，重量轻，组织炎性反应低，比玻璃还好的光学清晰度[5,9]。有报道称，Ridley植入的原始PMMA IOL保持了28年以上的完全透明和居中[10]。Gacek等[11]对PMMA和丙烯酸材质的IOL进行紫外可见分光光度计(UV-vis spectrophotometer)研究，发现PMMA IOL透光性最好，并且对紫外光具有较好的吸收率，保护视网膜免受紫外线辐射的伤害。但由于它硬度较大，容易损伤眼内组织，植入时易造成角膜内皮损伤，或长期刺激敏感的葡萄膜组织，引起慢性炎症[12,13]。且透氧性差，容易导致晶状体上皮变性、混浊，引起后发性白内障(posterior capsule opacification ，PCO)[14,15]。Wang等[16]人研究了PMMA、硅凝胶、亲水性和疏水性丙烯酸酯IOL对晶状体上皮细胞的粘附、迁移和转化的生物学效应，发现PMMA制成的IOL比其他材质的IOL PCO的发病率更高。PMMA材料长期暴露在光下容易发生降解，有大量关于PMMA发生雪花样变性，导致视力下降的报道[6,17]；而PMMA最致命的缺点是材料太硬，不能折叠，过大的切口导致术源性散光和术后恢复时间的延长[18]。随着现代小切口白内障手术的开展，折叠式IOL在临床大量应用，使得PMMA材质IOL的使用逐渐受到限制[6],仅部分用于IOL睫状沟植入[19]和白内障扶贫手术中[20]。

2.2 软性IOL材质

2.2.1硅凝胶 硅凝胶(silicone)作为应用最早的软性IOL材料，不仅拥有良好的组织相容性，还具有化学稳定性、高压灭菌性、热稳定性等特点，柔韧可折叠，对角膜内皮产生的损伤小,在白内障手术的应用中有着悠久的历史[21,22]。Yang等[23]人研究表明硅凝胶IOL表面粗糙度明显小于PMMA，表面更光滑，展开速度快，同时认为更光滑的表面对内囊的粘附力较小，降低PCO发生率[24]。但其疏水性表面，易粘附细菌和炎症细胞，术后炎症反应可能较重[12]。2007年，欧洲白内障和屈光手术协会的一项关于眼内炎的调查[25]发现，眼内炎的增加与硅凝胶IOL的使用有关。对于需要行玻璃体切除并注射硅油的高危人群，如高度近视和糖尿病视网膜病变患者应该避免选用此类IOL，因硅凝胶容易吸附硅油，硅油可能会沉积在IOL上导致混浊，降低视觉质量[19]。

Milauskas等[26]首次报告了早期硅凝胶IOL最严重的问题，是会发生棕色色变。随后，Koch和Heit[27]也发现了此类现象，并认为可能是由于制造过程中水蒸气进入IOL所致。如今，硅凝胶IOL很少被使用，几乎完全被丙烯酸IOL所取代。

2.2.2水凝胶 水凝胶(hydrogel)水分含量在18%-34%(甚至更高)之间，从某种意义上说，水凝胶含水量如此之高，更像是生物膜，因此生物相容性极佳，很少发生术后炎症反应[18,28,29]；相比硅凝胶IOL，其受硅油影响较小,晶状体上皮细胞纤维化的发生率更低。但水凝胶材质IOL具有网状结构，小分子物质等可以通过网状结构粘附到IOL表面或进入到内部，与IOL的高分子聚合物结构紧密结合，沉淀其中，从而降低IOL的透明度和生物相容性[30,31]。

2.2.3丙烯酸酯类多聚物 目前可折叠IOL的制造首选的是丙烯酸酯(acrylic)材质[18]。这不仅取决于它性质稳定、具有良好的生物相容性，更取决于它高度纯化、透明性好、柔软可折叠，能够通过非常小的切口植入，适合现代小切口白内障手术植入的优势，降低了术源性散光[22,32]。目前最常用的丙烯酸酯为亲水性丙烯酸脂和疏水性丙烯酸脂。①亲水性丙烯酸酯IOL 亲水性丙烯酸酯IOL弹性和韧性好，安装时不易损伤表面，具有良好的可压缩性，植入眼中容易展开[33]。屈光指数较低，可以制成弯曲表面，从而减少眩光现象[12];同时，对细菌和炎性细胞的粘附性弱，异物炎症反应弱，可以用于葡萄膜炎患者[12]。Roseel等[34]对内源性葡萄膜炎患者进行了前瞻性研究，得出结论，更亲水的IOL在白内障手术后葡萄膜炎的发生率较低。Hollick等[35]的研究也表明与PMMA和硅凝胶IOL相比，亲水性IOL的炎症细胞反应减少。就材料特性而言，亲水性丙烯酸酯对胶原蛋白的粘附性差，不能很好的贴近后囊膜，植入后容易偏位，影响光学稳定性，也为晶状体上皮细胞的增殖和迁移提供了空间，从而容易导致PCO的形成[32]。且由于亲水性丙烯酸柔软的物理性质，IOL方形边缘的设计不如疏水性丙烯酸IOL锐利，同样增加了PCO的发生率[12]。亲水性丙烯酸IOL钙化所致混浊是白内障手术后的严重并发症，在过去的十年中，有许多关于亲水性丙烯酸IOL植入后发生钙化的报道[36]。生物材料的研究表明，表面电荷的极性对材料表面沉淀矿物的类型起着决定性的作用[37,38]。Yang等[23]也认为钙化的主要原因是亲水性丙烯酸IOL材料上含有大量的羟基，这些负表面电荷能较好地促进了阳离子Ca2+的沉积，从而发生钙化。Werner[39]对来自不同制造商的不同设计的7种亲水性丙烯酸IOL进行研究，发现在前房内注射气体后各类IOL前表面的撕囊边缘或瞳孔缘处可以见到局部的颗粒状钙化，导致雾视和视力下降。Werner的观点与前面提到的观点似乎不太一致，她提出钙化的原因可能是手术过程中注射的外源性物质如前房内的空气等与亲水性丙烯酸IOL材料直接接触导致，或手术导致的血液房水屏障破坏，引起前房内代谢变化，使得钙磷等物质在IOL内部沉积[39]。②疏水性丙烯酸酯IOL 自从1998年爱尔康公司推出疏水性丙烯酸IOL以来，它因为柔软耐用，折射率高、光学透明性好等优良的性能，已经成为临床上首选的IOL类型之一[16,40]。疏水性丙烯酸与胶原蛋白的粘附力强，使IOL能够更紧密的贴合在富含胶原的后囊膜上，减少了IOL与后囊膜间的空隙，即“无空间无细胞”，抑制晶状体上皮细胞在IOL表面的增生，减少PCO的发生[33]。 疏水性丙烯酸IOL有极好的化学惰性，较亲水性丙烯酸IOL更加稳定，不易发生混浊钙化[36,41]。Giers等[42]报道了13例亲水性丙烯酸IOL眼，在行后板层角膜移植术数月至数年后发生了IOL钙化的现象，认为外源性物质注入前房会增加亲水性IOL混浊的风险，并建议在角膜内皮营养不良的患者中应避免使用亲水性IOL，疏水性IOL可能是首选。最近，Marcovich等[43]报告了11例亲水性丙烯酸IOL眼在行玻璃体切除及眼内注气后的1个月至6年内，发生了表面钙磷的颗粒沉积致视力下降；此外，疏水性丙烯酸对硅油粘附率低，因此他们也建议考虑同时行白内障手术和玻璃体切除术时，首选疏水性丙烯酸IOL。然而，值得注意的是，最近有疏水性丙烯酸IOL钙化的案例报告，考虑与玻璃体视网膜手术后的玻璃体腔内气体注射和全氟化碳液体残留有关，因此IOL钙化可能并不完全与材质有关，不能排除全身性疾病、代谢失衡、术后慢性炎症等的影响[44]。然而较高的细胞粘附性使IOL表面容易粘附细菌和炎症因子，术后可能会引起严重的炎症反应，因此葡萄膜炎患者应谨慎使用疏水性丙烯酸酯IOL[12]。另外，疏水性丙烯酸酯的弹性和韧性较亲水性材料差，37°为其最佳状态，温度低则变得硬脆，不易折叠且安装时容易出现夹痕，影响光学部的视觉质量[33,45]。其屈光指数较亲水性丙烯酸酯材料高，在植入后的不同时期，可能会出现微泡现象和镜面效应，导致眩光、对比敏感度降低等视觉质量问题[46-48]。

3 IOL的表面处理和修饰

理想的IOL应该具有良好的短期和长期的生物相容性[49]。生物相容性包括以单核、巨噬细胞反应为主的葡萄膜相容性和以晶状体上皮细胞增殖为主的囊膜生物相容性[12]。许多因素会影响IOL的生物相容性，如患者年龄、术式、术中撕囊大小、和IOL自身性能，其中IOL自身性能常起决定性作用[9]。增加IOL的囊膜相容性主要在于使IOL光学边缘设计更加锐利，减少PCO的发生；也有学者报道称利用紫外线臭氧处理IOL后表面也可以增加囊膜相容性[50]。增加IOL葡萄膜相容性的研究主要集中在IOL表面处理和材料特性的改进[8]。

白内障摘除和IOL植入过程中，会破坏血液房水屏障，使蛋白质和细胞进入前房，沉积在IOL表面，蛋白质的沉积又会加速粘附其他细胞[9,51]。通过激活补体系统，这些炎性细胞转化为单核细胞和巨噬细胞，参与IOL的异物炎症反应[52]。

IOL表面的物质沉积取决于其表面性质和化学结构[9]。表面性能可以通过表面处理和修饰等优化[23]。在IOL表面进行特殊的处理，涂上生物相容性物质，可以使其亲水性增加，产生良好的生物相容性。常用的表面涂层有肝素、聚乙二醇、抗组织生长因子β2(抗TGF-β2)、金属涂层等[12]。

肝素是无毒的、非免疫原性的抗凝血剂，用肝素处理IOL可以降低炎症细胞在IOL表面的粘附力，减少炎症细胞的堆积，降低粒细胞的反应活性，达到提高葡萄膜生物相容性、减轻白内障术后的炎症反应的效果[12]。同时可以增加疏水性材质的亲水性，克服了疏水性材质的易粘附，展开慢的缺点，使得展开更顺畅。聚乙二醇能通过降低IOL表面和蛋白质之间的吸引力来增加葡萄膜生物相容性[53]。TGF-β2是促进前囊膜纤维化的重要因素，有报道称经过抗TGF-β2表面处理的IOL不仅具有良好的亲水性，较低的炎症反应，还能够抑制晶状体上皮细胞向内的增殖。眼内的氧化应激反应被认为与青光眼、白内障、葡萄膜炎等多种疾病的发生相关，Babizhayev[54]研究发现采用有铂膜金属涂层的IOL，可以催化过氧化物的还原，从而减少房水内的过氧化物，纠正和预防氧化应激介导的眼组织氧化损伤和炎性细胞信号传递，解决白内障术后的多种并发症如：眼内炎症、异物反应、PCO等。

IOL的表面特殊处理和修饰，为提高IOL生物相容性，增加IOL的安全性和稳定性提供了新的思路。此种设计的IOL未来可能在糖尿病、青光眼及炎症性眼病患者中有良好的应用前景，具有成为新一代IOL的巨大潜力。

4 总结

随着白内障手术的发展，IOL的种类和功能也越来越多，然而其性能并不是由单一因素决定的，而是由IOL的生物材料、患者对IOL的反应、手术并发症等共同发挥作用[9]。了解不同材质IOL的性能和各种材质的适应症，可以帮助不同患者群体选择合适的IOL和制定个性化的手术方案，减少术后并发症，提供更好的视觉质量[1]。对比观察不同材质IOL的优势和缺点，为IOL的创新和材质的优化提供参考依据。此外，IOL的钙化似乎是一个多因素的问题，其机制尚不清楚，因此这一并发症的确切机制有待进一步研究。