青年与老年眼角膜应力松弛流变特性分析

【摘要】 目的 通过青年和老年眼角膜的应力松弛实验，比较青年和老年人眼角膜的应力松弛流变特性，为临床提供眼角膜流变参数。方法 正常人青年和老年尸体眼角膜各8个，在电子万能试样机上进行应力松弛实验。模拟人体温在(36.5±0.5)℃，以0.1%/s的应变增加速度对试样施加应变，采集90个数据，以归一化分析的方法处理应力松弛数据，拟合应力松弛曲线，建立青年和老年尸体眼角膜的归一化应力松弛函数方程。结果 青年组眼角膜7 200 s应力松弛量为0.70 mPa，老年组眼角膜7 200 s应力松弛量为0.52 mPa，青年组7 200 s应力松弛量显著大于老年组(P&<0.05)。结论 应力松弛曲线是以对数关系变化的，老年组眼角膜应力松弛特性发生改变。

【关键词】 眼角膜，青年;老年;应力松弛

根据国内调查，在我国致盲原因中，角膜病居第二位〔1〕。目前我国因此病致残、致盲者居高不下，且主要集中在中、老年人。当前有效复明手术为角膜移植，多数患者可以通过角膜移植复明，但因为角膜移植供体材料匮乏，许多患者得不到有效的治疗，因此学者们试图以异种角膜和人工角膜作为角膜移植物的替代物。无论是以异种角膜还是以人工角膜作为人眼角膜移植的替代材料，首先要解决生物相容性的问题，还要了解替代材料的生物力学特性。以往的研究多以青年尸体和动物眼角膜为研究对象，多以眼角膜的一维拉伸实验居多。关于青年与老年人眼角膜应力松弛对比实验分析鲜有报道。本文对青年与老年尸体新鲜眼角膜进行应力松弛实验，得出青年与老年尸体眼角膜的应力松弛数据和曲线、应力与时间的变化规律，以归一化分析的方法建立青年与老年尸体眼角膜的应力松弛函数方程。

　　1 材料与方法

　　1.1 材料 采用志愿捐献的角膜供体，角膜移植后的16个眼角膜剩余部分;青年组8个标本，均为男性，年龄28～39岁。老年组8个标本，均为男性，年龄62～70岁。收集于吉林大学第三医院，病人知情同意。实验前标本置于营养液中，置于4℃冰箱中保鲜。

　　1.2 仪器设备 日本岛津制作所生产的电子万能试样机，读数显微镜为长春市第三光学仪器厂生产。

　　1.3 方法 标本取出后2 h之内上机实验。首先以读数显微镜测量标本的长度、宽度和厚度，试样长8.0～8.2 mm，宽2.42～2.44 mm，厚1.20～1.24 mm。人眼角膜为生物黏弹性材料，所以必须对标本进行预调处理，本实验按

参考文献

〔4〕的方法对每个标本进行预调处理后实验。分别将两组标本装入软组织拉伸实验夹具内，与装有pH7.4生理盐水的有机玻璃槽连接，之后与试样机上、下夹头连接。试样机带有-30℃～250℃环境温箱，本实验在(36.5±0.5)℃的温度下进行。以0.1%/s的应变增加速度对标本施加应变。当青年组应变达到0.30%，老年组应变达到0.25%，应力达到3.10 mPa时，使应变保持恒定。应力随着时间的改变不断下降。计算机程序设定从时间t采集数据，每10 s采集1个数据，采集40次，之后每136 s采集1个数据，采集50次，共采集90个数据。达到设定的时间7 200 s时，计算机自动输出实验数据和曲线。

　　1.4 统计学分析 采用SPSS11.0软件完成统计处理，计量资料以x±s表示，采用完全随机分组单因素方差分析进行数据分析，组间比较采用t检验。

　　2 结 果

　　2.1 应力松弛曲线与归一化应力松弛函数曲线拟合 青年组与老年组应力松弛数据各取20个点进行曲线拟合，见图1;青年组与老年组归一化应力松弛函数数据各取20个点进行曲线拟合，见图2。青年组7 200 s应力松弛量为0.70 mPa，老年组眼角膜7 200 s应力松弛量为0.52 mPa。青年组眼角膜7 200 s应力松弛量大于老年组眼角膜，差异显著(P&<0.05)。

　　图1 青年与老年组眼角膜应力松弛曲线图2 青年与老年组眼角膜应力松弛归一化曲线

　　2.2 建立归一化应力松弛函数方程 应力松弛曲线是以对数关系变化的，因此设：

　　G(t)=1 t=0

　　clnt+d t&>0 (1)

　　式中c、d为待定常数

　　令φ(c.d)=∑ni=1〔G(t-G实〕i2

　　则φC=0 φd=0 即：

　　c∑11i=1ln2t+d∑11〖〗i=1lnt-∑11i=1G实lnt=0

　　c∑11i=1lnt+∑11i=1d+∑11i=1G实=0 (2)

　　将实验数据代入(2)式解出各组的c、d值，将c、d值代入(1)式得出各组眼角膜的应力松弛函数方程：

　　青年组G(t) 1 t=0

　　-0.026 9lnt+1.015 5 t&>0 (3)

　　老年组青年组G(t) 1 t=0

　　-0.021 1lnt+1.020 0 t&>0 (4)

　　(3)、(4)式代表青年与老年眼角膜的应力松弛特性。

　　3 讨 论

　　山田博〔2〕对人眼角膜进行了力学特性研究。董心等〔3〕通过实验建立国人青年尸体眼角膜的一维本构方程。赵梅生等〔4〕对国人青年尸体眼角膜进行了应力松弛、蠕变实验研究，得出了眼角膜的应力松弛、蠕变数据和曲线。本实验结果表明，青年组7 200 s应力松弛量为0.70 mPa，老年组眼角膜7 200 s应力松弛量为0.52 mPa，应力松弛最初600 s变化较快，之后应力缓慢下降，达到7 200 s时应力松弛曲线基本达到平衡，应力松弛曲线是以对数关系变化的。人眼角膜在松弛初期变化率较快，说明人眼角膜内固有的膨胀压与局部的压力致水分向外溢出的速度快，随着眼角膜内压不断溢出，其固有的膨胀压与局部的压力差减少，因此后期曲线比较平缓，最后达到相对平衡。人眼角膜为非线性黏弹性固体生物材料。从眼角膜的结构上看，基质层占眼角膜厚度的90%，由于角膜的上层和内皮层都不能承受载荷，故一般认为基质层是承受载荷的主要部分，前、后弹力层和基质层的主要构成材料为胶原纤维。胶原纤维是一种类韧性材料，使胶原组织具有一定的强度和刚度。眼角膜为了适应生理的需要，具有一定的强度和刚度，具有良好的应力松弛力学特性。老年眼角膜由于年龄的原因胶原纤维老化、变脆，韧性降低，脆性增加，所以其应力松弛力学特性发生变化。

　　以往的眼角膜力学特性研究多以一维拉伸和以动物眼角膜实验居多，很少以青年和老年人眼角膜为研究对象。本实验与以往研究不同的是以青年和老年人眼角膜为研究对象进行应力松弛实验，得出青年与老年眼角膜的应力松弛力学特性指标、应力与时间的变化规律、应力松弛函数方程更具有理论意义和临床价值。由于标本有限和生物材料个体差异的限制，实验数据有一定的离散性，但对临床仍具有一定参考价值。

参考文献

　　1 杨贵通，岑人经.生物力学研究和应用〔M〕.广州：华南理工大学出版社，1990：421.

　　2 山田博.人体的强度与老化〔M〕.西宁：青海人民出版社，1986：16970.

　　3 董 心，朱兴华，马洪顺，等.人眼角膜的一维本构方程〔C〕.第三届全国生物力学学术会议论文集，1990：4213.

　　4 赵梅生，张忠君，马洪顺，等.人眼角膜黏弹性实验研究〔J〕.生物医学工程学杂志，2005;3：3025.