眼角膜，作為眼球最前部的透明窗口，不僅是光線進(jìn)入眼睛的第一道關(guān)口，更承擔(dān)著維持眼球形態(tài)和提供大部分屈光力的重任。長久以來，我們關(guān)注其透明度與曲率，卻對其內(nèi)在的“力學(xué)特性"知之甚少。隨著生物力學(xué)研究的深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，角膜的力學(xué)性能與其健康、疾病及手術(shù)效果息息相關(guān)。而雙軸力學(xué)測試，正是揭開角膜力學(xué)奧秘的核心技術(shù)之一。

一、 為何要進(jìn)行雙軸力學(xué)測試？——多重目的解析

傳統(tǒng)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(nèi)實(shí)際承受的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)相去甚遠(yuǎn)。眼內(nèi)壓使角膜像一個充氣的球殼，向其施加均勻的、向四周擴(kuò)張的張力。雙軸測試正是為了模擬這種真實(shí)的生理負(fù)載環(huán)境，其核心目的包括：

1. 揭示真實(shí)的材料本構(gòu)關(guān)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。這有助于建立更精確的數(shù)學(xué)（本構(gòu)）模型，描述角膜作為一種生物復(fù)合材料（主要由膠原纖維基質(zhì)和細(xì)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(xué)機(jī)制：

圓錐角膜 是最典型的與角膜力學(xué)衰弱相關(guān)的疾病。通過雙軸測試，可以清晰地發(fā)現(xiàn)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(fā)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(jìn)展至關(guān)重要。

3. 評估角膜屈光手術(shù)的安全性：

LASIK、SMILE等手術(shù)通過改變角膜形態(tài)來矯正視力，但手術(shù)切削會不可避免地改變其力學(xué)結(jié)構(gòu)。雙軸測試可以量化手術(shù)前后角膜剛度的變化，評估術(shù)后角膜抵抗眼壓的“力學(xué)儲備"是否充足，從而預(yù)測術(shù)后角膜膨隆等并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，為手術(shù)方案優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

4. 指導(dǎo)角膜交聯(lián)手術(shù)的療效評估：

角膜交聯(lián)術(shù)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(xué)鍵，從而增強(qiáng)角膜剛度。雙軸測試是評估交聯(lián)效果最直接，能夠精確測量交聯(lián)后角膜剛度的提升幅度。

5. 推動生物工程角膜的研發(fā)：

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(xué)性能，既能承受眼內(nèi)壓，又能保持穩(wěn)定和透明，避免因力學(xué)失配導(dǎo)致的移植失敗。

二、 如何進(jìn)行測試？——核心流程與關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)

雙軸力學(xué)測試是一項(xiàng)精密的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，其流程嚴(yán)謹(jǐn)，需要遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以確保數(shù)據(jù)的可靠性和可比性。

基本測試流程：

1. 樣本制備： 通常從捐獻(xiàn)的眼球上獲取角膜，并將其切割成標(biāo)準(zhǔn)的“十字形"或“方形"試樣。十字形試樣能有效避免夾具處的應(yīng)力集中，是更優(yōu)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(xué)試驗(yàn)機(jī)的作動器上，可以獨(dú)立或同步地在X和Y方向施加位移或力。

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

4. 加載協(xié)議：

等雙軸加載： X和Y方向施加相同的位移或力。最基礎(chǔ)的協(xié)議，模擬均勻的眼內(nèi)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(dǎo)致的水平與垂直方向力學(xué)性能差異）。

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

5. 數(shù)據(jù)采集： 試驗(yàn)機(jī)記錄載荷和位移數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)（DIC） 等光學(xué)測量技術(shù)，非接觸式地實(shí)時(shí)追蹤試樣表面的全場應(yīng)變分布，這是獲取準(zhǔn)確力學(xué)參數(shù)的關(guān)鍵。

關(guān)鍵測試標(biāo)準(zhǔn)與考量：

盡管目前尚無全球統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但學(xué)術(shù)界已形成廣泛共識：

1. 樣本水合控制： 角膜的力學(xué)性能對其水合狀態(tài)極其敏感。水合度輕微變化就會導(dǎo)致剛度顯著改變。因此，嚴(yán)格控制測試環(huán)境和水合時(shí)間是獲得可重復(fù)數(shù)據(jù)的首要前提。

2. 加載速率： 加載速率影響粘彈性組織的響應(yīng)。為了模擬生理?xiàng)l件下的準(zhǔn)靜態(tài)負(fù)載，通常采用極慢的應(yīng)變率（例如 0.1 %/s 至 1 %/s）。

3. 預(yù)調(diào)處理： 對樣本施加數(shù)個加載-卸載循環(huán)，直至應(yīng)力-應(yīng)變曲線穩(wěn)定，以消除因樣本處理和初始狀態(tài)不一致帶來的誤差。

4. 應(yīng)變測量方法： 必須使用非接觸式光學(xué)測量（如DIC）。僅依靠作動器的位移計(jì)算應(yīng)變會嚴(yán)重低估實(shí)際應(yīng)變，因?yàn)樗鼰o法排除夾具滑動和樣本在夾具根部變形的干擾。

5. 數(shù)據(jù)報(bào)告規(guī)范： 研究報(bào)告應(yīng)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(xié)議、應(yīng)變測量方法以及所使用的本構(gòu)模型。

三、 挑戰(zhàn)與未來展望

雙軸力學(xué)測試也面臨一些挑戰(zhàn)：

樣本來源稀缺： 高質(zhì)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(dǎo)致數(shù)據(jù)離散度較高。

在體與離體的差異： 離體測試無法復(fù)現(xiàn)活體內(nèi)角膜的生理環(huán)境（如細(xì)胞活性、神經(jīng)調(diào)節(jié)等）。

未來，該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢將集中在：

微型化與在體測試技術(shù)： 開發(fā)能夠在活體眼睛上進(jìn)行無損力學(xué)測量的技術(shù)，如 Brillouin 顯微鏡、光學(xué)相干彈性成像（OCE），與離體測試數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證。

多尺度建模： 將宏觀的雙軸測試數(shù)據(jù)與微觀的膠原纖維結(jié)構(gòu)信息相結(jié)合，建立從分子到組織水平的跨尺度力學(xué)模型。

標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程： 推動全球科研機(jī)構(gòu)采納更統(tǒng)一的測試規(guī)范，促進(jìn)數(shù)據(jù)的共享與比較。

結(jié)語

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