探秘眼角膜的“韌性”：雙軸力學測試的目的與標準

眼角膜，作為眼球最前部的透明窗口，不僅是光線進入眼睛的第一道關口，更承擔著維持眼球形態和提供大部分屈光力的重任。長久以來，我們關注其透明度與曲率，卻對其內在的“力學特性"知之甚少。隨著生物力學研究的深入，科學家們發現，角膜的力學性能與其健康、疾病及手術效果息息相關。而雙軸力學測試，正是揭開角膜力學奧秘的核心技術之一。

一、 為何要進行雙軸力學測試？——多重目的解析

傳統的單軸拉伸測試只能模擬單一方向的受力，這與角膜在眼內實際承受的復雜應力狀態相去甚遠。眼內壓使角膜像一個充氣的球殼，向其施加均勻的、向四周擴張的張力。雙軸測試正是為了模擬這種真實的生理負載環境，其核心目的包括：

1. 揭示真實的材料本構關系：

在雙軸載荷下，研究人員可以獲取角膜組織在兩個互相垂直方向上的應力-應變關系。這有助于建立更精確的數學（本構）模型，描述角膜作為一種生物復合材料（主要由膠原纖維基質和細胞組成）的非線性、各向異性和粘彈性行為。

2. 理解角膜疾病的生物力學機制：

圓錐角膜 是最典型的與角膜力學衰弱相關的疾病。通過雙軸測試，可以清晰地發現圓錐角膜組織的剛度顯著低于健康角膜，更容易在眼壓作用下發生變形和膨出。這對于理解疾病成因、早期診斷和評估病情進展至關重要。

3. 評估角膜屈光手術的安全性：

LASIK、SMILE等手術通過改變角膜形態來矯正視力，但手術切削會不可避免地改變其力學結構。雙軸測試可以量化手術前后角膜剛度的變化，評估術后角膜抵抗眼壓的“力學儲備"是否充足，從而預測術后角膜膨隆等并發癥的風險，為手術方案優化提供數據支持。

4. 指導角膜交聯手術的療效評估：

角膜交聯術是治療圓錐角膜的核心方法，其原理是利用核黃素和紫外線A照射來增加膠原纖維間的化學鍵，從而增強角膜剛度。雙軸測試是評估交聯效果最直接，能夠精確測量交聯后角膜剛度的提升幅度。

5. 推動生物工程角膜的研發：

人造角膜或角膜支架是未來的重要方向。雙軸測試可以確保這些替代材料具有與天然角膜相匹配的力學性能，既能承受眼內壓，又能保持穩定和透明，避免因力學失配導致的移植失敗。

二、 如何進行測試？——核心流程與關鍵標準

雙軸力學測試是一項精密的生物力學實驗，其流程嚴謹，需要遵循一定的標準和規范以確保數據的可靠性和可比性。

基本測試流程：

1. 樣本制備： 通常從捐獻的眼球上獲取角膜，并將其切割成標準的“十字形"或“方形"試樣。十字形試樣能有效避免夾具處的應力集中，是更優的選擇。

2. 夾具與加載： 將試樣的四個臂分別固定在兩兩相對的精密夾具上。夾具連接到力學試驗機的作動器上，可以獨立或同步地在X和Y方向施加位移或力。

3. 環境模擬： 整個測試過程通常在恒溫（如34-37°C，模擬眼內溫度）的生理鹽水或PBS溶液中進行，以保持角膜組織的活性和水合狀態。

4. 加載協議：

等雙軸加載： X和Y方向施加相同的位移或力。最基礎的協議，模擬均勻的眼內壓。

非等雙軸加載： 在兩個方向上施加不同比例的載荷，用于研究角膜的各向異性（如由于上下眼瞼壓力導致的水平與垂直方向力學性能差異）。

應力松弛/蠕變測試： 施加一個階躍的應變并保持，觀察應力隨時間衰減的過程（應力松弛），或施加一個恒定的應力觀察應變隨時間增加（蠕變），用以研究角膜的粘彈性。

5. 數據采集： 試驗機記錄載荷和位移數據，同時結合數字圖像相關（DIC） 等光學測量技術，非接觸式地實時追蹤試樣表面的全場應變分布，這是獲取準確力學參數的關鍵。

關鍵測試標準與考量：

盡管目前尚無全球統一的工業標準，但學術界已形成廣泛共識：

1. 樣本水合控制： 角膜的力學性能對其水合狀態極其敏感。水合度輕微變化就會導致剛度顯著改變。因此，嚴格控制測試環境和水合時間是獲得可重復數據的首要前提。

2. 加載速率： 加載速率影響粘彈性組織的響應。為了模擬生理條件下的準靜態負載，通常采用極慢的應變率（例如 0.1 %/s 至 1 %/s）。

3. 預調處理： 對樣本施加數個加載-卸載循環，直至應力-應變曲線穩定，以消除因樣本處理和初始狀態不一致帶來的誤差。

4. 應變測量方法： 必須使用非接觸式光學測量（如DIC）。僅依靠作動器的位移計算應變會嚴重低估實際應變，因為它無法排除夾具滑動和樣本在夾具根部變形的干擾。

5. 數據報告規范： 研究報告應明確說明樣本來源（物種、年齡、健康狀況）、儲存條件、試樣幾何形狀、水合控制方法、加載協議、應變測量方法以及所使用的本構模型。

三、 挑戰與未來展望

雙軸力學測試也面臨一些挑戰：

樣本來源稀缺： 高質量的人體角膜樣本難以獲取。

個體差異性大： 年齡、性別、病史等因素導致數據離散度較高。

在體與離體的差異： 離體測試無法復現活體內角膜的生理環境（如細胞活性、神經調節等）。

未來，該領域的發展趨勢將集中在：

微型化與在體測試技術： 開發能夠在活體眼睛上進行無損力學測量的技術，如 Brillouin 顯微鏡、光學相干彈性成像（OCE），與離體測試數據相互驗證。

多尺度建模： 將宏觀的雙軸測試數據與微觀的膠原纖維結構信息相結合，建立從分子到組織水平的跨尺度力學模型。

標準化進程： 推動全球科研機構采納更統一的測試規范，促進數據的共享與比較。

結語

眼角膜雙軸力學測試，如同一把精密的“力學尺"，為我們精準丈量這片透明組織的內在韌性。它不僅深化了我們對眼部生理和疾病機制的理解，更直接指導著屈光手術的安全邊界和新型療法的開發。隨著技術的不斷標準化和革新，這門“測量角膜力量"的科學，必將為全球數百萬角膜疾病患者帶來更光明、更清晰的未來。