本研究由Ahmed Elsheikh、Defu Wang、Michael Brown（英国邓迪大学土木工程系）、Paolo Rama（意大利米兰San Raffaelle医院眼科）、Marino Campanelli（意大利Monza眼库）及David Pye（澳大利亚新南威尔士大学视光与视觉科学学院）合作完成，成果发表于2007年的《Current Eye Research》期刊（卷32期11-19页）。研究聚焦于角膜生物力学特性随年龄的变化规律，为眼科临床及基础研究提供了重要数据支持。

学术背景
角膜作为眼球外层的关键光学结构，其生物力学特性直接影响眼压测量准确性、屈光手术效果及疾病进展评估。既往研究显示，角膜力学参数存在高达两个数量级的差异，主要受测试方法、粘弹性、眼压及年龄等因素干扰。年龄相关的角膜微观结构变化已有初步证据：X射线衍射研究表明，胶原纤维间距随年龄增长减小（Malik et al., 1992），电子显微镜观察到65岁以上人群胶原纤维直径增加4.5%（Daxer et al., 1998），这些结构改变可能通过非酶促交联（nonenzymatic cross-linking）影响力学性能。本研究旨在建立50-95岁人群角膜应力-应变关系的定量模型，揭示年龄与载荷速率对力学行为的影响机制。

研究流程与方法
1. 样本准备
研究纳入36具人眼角膜（50-95岁），来自意大利Monza眼库（33例）、法国里昂Edouard Herriot医院眼库（2例）及德国汉堡大学医学中心眼库（1例）。样本保存于Optisol GS培养基（37℃），确保14天内维持组织活性。所有样本附带2mm巩膜环，经病理学筛查排除病变角膜。

1. 膨胀实验系统
   团队自主研发充压测试装置（图1），核心包括：

   • 压力舱：通过机械夹具与氰基丙烯酸酯粘合剂实现水密性固定
     
   • 温控系统：恒温水箱维持37℃模拟生理环境
     
   • 动态加载模块：电机驱动储液罐以37.5 mmHg/min（动态）和3.75 mmHg/min（静态）两种速率施压，最大压力170mmHg
     
   • 形变监测：激光位移传感器（Keyence LK系列）实时记录顶点位移，8MP数码相机双正交位拍摄轮廓变化
     

2. 参数测量

   • 几何参数：角膜测厚仪（DGH Pachmate 55）测量中央（CCT=0.572±0.058mm）与周边厚度（PCT=0.779±0.042mm）；数字图像分析获取前表面曲率半径（Rant=7.500±0.767mm）及角膜缘直径（2Ri=11.252±1.148mm）
     
   • 力学响应：每个样本经历3次加载-卸载循环，数据通过NI DAQPad-6015采集系统记录
     

3. 数学模型反演
   基于壳体理论（shell theory）建立应力-应变关系：

   • 几何假设：将角膜简化为均质球壳，泊松比ν=0.49（不可压缩性）
     
   • 核心方程：通过压力-顶点位移关系推导弹性模量E，其中顶点位移r与压力p的关系为：
     $$r = \frac{pr^2}{2Et}(1-\nu)[1-e^{-\beta\eta}\cos(\beta\eta)]$$
     
   • 应变计算：采用膜理论公式εφ=pr(1+νe^(-βη)cosβη)/2Et
     

主要结果
1. 年龄依赖性刚度增长
- 非线性力学行为：所有样本呈现典型双阶段特征——低压区（<12-20mmHg）低刚度，高压区（>60mmHg）恒定刚度（图3）。
- 定量模型：应力-应变关系符合指数函数σ=a(e^(bε)-1)，参数a、b随年龄显著变化（表1）。例如80-95岁组在动态加载下a=0.0061 MPa，b=83，较50-64岁组（a=0.0070, b=50）刚度提升48%。
- 杨氏模量：在生理眼压范围（5-30mmHg），80-95岁组动态加载模量（0.599-0.961MPa）较50-64岁组（0.403-0.624MPa）平均增加33%（表2）。

1. 微观机制解释
   刚度增长与胶原纤维直径增大（+4.5%）及非酶促交联增加相关。计算表明，单纯纤维截面积扩大（+9.2%）仅能解释部分刚度变化，证实交联强化是主要机制。这与人工交联实验（Spoerl et al., 1998）中紫外线-核黄素诱导刚度倍增的现象一致。

2. 临床意义

   • 青光眼风险：老年角膜刚度增加导致眼压波动时形变缓冲能力下降，加剧筛板（lamina cribrosa）机械损伤风险
     
   • 眼压测量误差：每十年16%的刚度增长可使Goldmann压平眼压计读数高估0.85mmHg
     

结论与价值
本研究首次建立了50-95岁人群角膜的年龄-力学参数定量模型，证实：
1. 角膜刚度随年龄呈指数增长，主要驱动因素为胶原纤维非酶促交联
2. 动态加载下粘弹性效应使刚度进一步提升
3. 所提指数模型可直接用于有限元分析，为屈光手术规划、角膜扩张症风险评估及个性化眼压校正提供理论基础

研究亮点
- 方法创新：开发集成温控的动态充压系统，实现生理条件下的连续力学表征
- 模型优势：通过壳体理论反演消除传统拉伸试验的边缘效应，更接近在体工作状态
- 临床转化：量化年龄对眼压测量的影响，为青光眼诊疗提供生物力学修正依据

延伸讨论
研究发现与其他组织（如主动脉、软骨）的年龄相关交联研究（Bruel et al., 1996; Bank et al., 1998）形成跨学科印证，提示非酶促交联可能是结缔组织老化的共性机制。后续研究可结合共聚焦显微镜或二次谐波成像，实现微观结构与宏观力学的原位关联分析。