正常與老齡家兔眼鞏膜應(yīng)力松弛特性對(duì)比分析

王 玲 袁 毅 呂雪漫 張 穩(wěn) 姜 琦 (吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院眼科，吉林 長春 30033)

鞏膜在維持眼球形狀方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，其生長發(fā)育、再生、愈合與應(yīng)力密切相關(guān)〔1～3〕。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鞏膜的力學(xué)特性進(jìn)行了大量的研究，王超英等〔4〕對(duì)比分析了高度近視眼鞏膜與對(duì)照眼鞏膜的生物力學(xué)特征認(rèn)為高度近視眼與正常眼相比更容易發(fā)生變形，且具有較低的承載能力。孫朝暉等〔5〕對(duì)實(shí)驗(yàn)性近視豚鼠鞏膜生物力學(xué)的研究表明，近視眼鞏膜的彈性模量、最大載荷及最大應(yīng)力均降低，同時(shí)其最大應(yīng)變及蠕變率均升高。由此證明近視眼的鞏膜生物力學(xué)發(fā)生了顯著變化，其彈性、應(yīng)力、承載力均減弱，這些變化可能引起眼球形變加劇加重。Girard等〔6〕對(duì)兔眼鞏膜進(jìn)行了體外應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)離體鞏膜的材料性能并沒有發(fā)生顯著改變，但其沒有研究老齡兔鞏膜應(yīng)力松弛力學(xué)特性。本實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析正常和老齡兔鞏膜進(jìn)行應(yīng)力松弛特性，為老年鞏膜相關(guān)疾病的預(yù)防和治療提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 健康5月齡雄性日本大耳白兔5只為正常組，體質(zhì)量2.6～2.9 kg;18月齡雄性日本大耳白兔5只為老年組，體質(zhì)量2.9～3.1 kg，均由長春高新醫(yī)學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供(許可證號(hào)SCXK(吉)2003-0004)。動(dòng)物在籠中自由攝食飲水，飼料為全價(jià)兔顆粒料，動(dòng)物飼養(yǎng)室溫度22℃ ～24℃，自然光照，空氣流通，相對(duì)濕度55% ～70%。

1.2鞏膜組織的獲取與試樣制作 兩組動(dòng)物飼養(yǎng)3 d后，經(jīng)6%水合氯醛腹腔注射麻醉(6 ml/kg)，固定于手術(shù)臺(tái)上，處死動(dòng)物，摘除雙眼球，置于－20℃冰箱中保存，實(shí)驗(yàn)前取出動(dòng)物眼球，在常溫下復(fù)溫后解剖制作鞏膜試樣。將正常眼與老齡眼極部鞏膜剪成長15 mm、厚4 mm的長方形鞏膜試樣，各10個(gè)。

1.3鞏膜試樣應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)設(shè)備為美國MTS公司生產(chǎn)的自動(dòng)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)帶有－30℃ ～250℃環(huán)境溫箱，可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。按參考文獻(xiàn)〔7，8〕的方法分別對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行預(yù)調(diào)處理，確保在(36.5℃±1℃)的溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分別將各組試樣置于試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)，以50%/min的速度對(duì)試樣施加應(yīng)變，當(dāng)正常對(duì)照組鞏膜試樣應(yīng)變達(dá)到10.9%、老齡組鞏膜試樣應(yīng)變達(dá)到12.5%且兩組鞏膜試樣應(yīng)力達(dá)到2.11 mPa時(shí)使應(yīng)變保持恒定。計(jì)算機(jī)程序設(shè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)間為7 200 s。為使試樣在實(shí)驗(yàn)過程中保持一定的濕度，實(shí)驗(yàn)過程中不斷向試樣淋生理鹽水。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，控制機(jī)器的計(jì)算機(jī)自動(dòng)輸出應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)和曲線。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 用SPSS16.0軟件行單因素方差分析法和Sceffe法，以歸一化分析的方法分別建立各組試樣的歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)方程。

2結(jié)果

2.1各組坐骨神經(jīng)試樣的應(yīng)力松弛曲線 正常組、老年組鞏膜試樣應(yīng)力松弛曲線見圖1。

圖1 正常組、老年組鞏膜試樣應(yīng)力松弛曲線

2.2各組鞏膜試樣的歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)曲線 各組鞏膜試樣的歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)曲線見圖2。

2.3各組鞏膜試樣的歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)的建立 由圖1可知，應(yīng)力松弛曲線是以對(duì)數(shù)關(guān)系變化，按文獻(xiàn)〔9〕的方法設(shè):

式中c、d為待定系數(shù)。

圖2 正常組、老年組鞏膜試樣應(yīng)力松弛函數(shù)曲線

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入(2)式分別解出各組鞏膜試樣的c、d值，將各組試樣的c、d值代入(1)式得出各組鞏膜試樣的歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)方程如下:

正常組鞏膜試樣:

老年組鞏膜試樣:

3 討論

本文比較了正常和老齡家兔鞏膜的應(yīng)力松弛力學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的推移，各組鞏膜試樣的應(yīng)力不斷下降，應(yīng)力最初1 000 s下降快，之后變化較慢，達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，應(yīng)力松弛曲線基本接近水平，各組鞏膜試樣應(yīng)力松弛曲線和其他生物材料一樣，均以對(duì)數(shù)關(guān)系變化。按重量計(jì)算，人類鞏膜大約有50%均為膠原，其中大部分為Ⅰ型膠原纖維，Ⅲ型膠原纖維所占比例不到5%〔10〕，其他膠原纖維則占很少一部分〔11〕。Ⅴ型和Ⅵ型膠原纖維主要存在于纖維間基質(zhì)中，目前還沒有足夠證據(jù)表明人類鞏膜中有Ⅱ型、Ⅳ型膠原纖維 。膠原一級(jí)結(jié)構(gòu)中的Gly-x-y重復(fù)片段是維持膠原結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能的重要成分，也是三肽鏈形成三螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其中x常為脯氨酸，y常為羥脯氨酸，由于鞏膜主要由膠原纖維構(gòu)成，所以鞏膜的生物力學(xué)情況主要取決于膠原纖維的多少及空間排列情況〔12，13〕。膠原纖維作為黏彈性體，其應(yīng)力松弛、蠕變?yōu)槠漯椥缘闹饕憩F(xiàn)形式。應(yīng)力松弛是生物材料對(duì)恒應(yīng)變適應(yīng)性的反應(yīng)〔14〕，在一定的恒應(yīng)變作用下的應(yīng)力松弛是為了適應(yīng)鞏膜的生理功能。分析認(rèn)為，老齡家兔鞏膜膠原纖維的數(shù)量、直徑發(fā)生變化，彈性纖維的構(gòu)型，排列方向，水分的含量發(fā)生了變化，使鞏膜的應(yīng)力松弛力學(xué)特性發(fā)生了改變。Girard等〔6〕研究了人鞏膜力學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鞏膜的存儲(chǔ)時(shí)間并不會(huì)影響其生物力學(xué)性能，在一定條件下，離體的鞏膜并沒有發(fā)生明顯的非生理性改變，從而證明了體外生物力學(xué)測(cè)量的可行性。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了體外兔鞏膜應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)是可行性的，同時(shí)本實(shí)驗(yàn)研究了老齡家兔鞏膜的應(yīng)力松弛特性，為進(jìn)一步的研究提供了應(yīng)力松弛力學(xué)理論基礎(chǔ)，具有一定的創(chuàng)新。

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