Novel film-driven stretcher for modulating ex vivo crystalline lens power

技术摘要：用于调节离体晶状体屈光力的创新型薄膜驱动拉伸器

问题陈述
研究晶状体在调节过程中的生物力学和光学行为，需要能够准确模拟眼球生理状态的体外（in vitro）系统。尽管透镜拉伸装置已存在数十年，但传统的结构依赖于四臂或八臂刚性拉杆。这些系统结构复杂、体积庞大，且通常与标准实验室设备（如孵育器、显微镜和 MRI 扫描仪）不兼容。此外，多臂配置会诱发晶状体的多边形变形，无法模拟体内睫状肌施加的均匀 360° 径向牵引。以往使用的环形拉伸器缺乏对睫状体张力的灵活调节能力。因此，需要一种紧凑、具有生理相关性且易于集成的设备，能够在精确控制晶状体拉伸的同时，保持晶状体的透明度和原生几何形态。

方法论
本研究介绍了一种新型薄膜驱动拉伸系统，旨在解决上述局限性。该方法涵盖了三个主要组件：

1. 解剖支撑基座： 定制的 3D 打印基座利用带有中心孔的 Kimwipe 组织纸巾，通过吸湿粘附作用固定睫状体。该设置通过相互配合的环（DS-内环和 DS-外环）稳定前球部，从而在解剖过程中保持晶状体的原生构型和悬韧带张力。
2. 橡胶膜拉伸器： 核心创新在于夹在两个环（ST-内环和 ST-外环）之间的橡胶膜。通过 Vetbond 组织粘合剂将薄膜粘附在猪眼的睫状体和角膜缘上。通过连接在外部圆环上相对直径方向的两根聚乙烯纤维线来传递力量。
3. 改良型 6 孔培养板系统： 拉伸器安置在含有 M199 培养基的改良 6 孔培养板中。培养板盖子上配备了一个螺旋测微器和一个环形圆柱体。旋转测微器会拉紧纤维线，从而提升拉伸器并诱导橡胶膜产生均匀的径向扩张。该机制将测微器的垂直位移转化为 360° 的径向牵引力。
4. 预拉伸方案： 为了建立一个放松状态下的悬韧带张力基准，开发了一套使用较大尺寸双环装置的预拉伸方案。这使得睫状环在释放时能够收缩，从而模拟实验拉伸前晶状体的放松状态。
5. 光学测量： 使用改良的 Topcon LM-8 手动检镜仪测量屈光力。为了适应培养液中高屈光力的猪晶状体，在孔底放置了一个凹面透镜作为参考透镜，从而在检镜仪的测量范围内（-25 D 至 +25 D）构建了一个组合光学系统。通过使用双凸参考透镜推导出了线性校准方程，将检镜仪读数转换为真实的屈光度。

核心贡献

• 设计创新： 开发了一种薄膜驱动拉伸器，用简单的弹性膜取代了复杂的多臂组件，确保了均匀的 360° 径向牵引，避免了晶状体的多边形变形。
• 集成性与易用性： 该系统足够紧凑，可以放入标准的 6 孔培养板中，使其能够兼容常规实验室设备（孵育器、显微镜），并有助于实现快速、可重复的制备过程。
• 方案优化： 建立了预拉伸方案以降低基准悬韧带张力，从而能够研究完整的生理调节范围。
• 测量适配： 通过使用检镜仪和参考透镜的改良光学设置，精确量化高屈光力离体晶状体的屈光度变化。

结果
研究使用五个猪晶状体对系统进行了验证。主要发现包括：

• 屈光力变化： 在未拉伸状态（测微器设定值：0 mm）与 1.5 mm 拉伸位移之间，平均屈光力变化为 1.47 ± 0.18 D。
• 形态完整性： 在拉伸过程中，猪晶状体保持了圆形几何形状并增加了直径，证实了径向牵引的均匀性。
• 测量范围： 研究测量的拉伸位移最高达 1.5 mm。当位移超过 2.0–2.5 mm 时，阻力显著增加，表明已接近拉伸极限并存在不可逆损伤的风险。
• 校准： 在 M199 培养基中，成功建立了检镜仪读数与真实屈光度之间的线性关系（$P_{true} = 0.3933 \cdot P_{read} + 39.67$）。

意义与主张
作者声称，这种薄膜驱动拉伸器提供了一种比传统多臂系统更简单、更具生理相关性的替代方案。通过利用弹性膜的均匀张力，该装置比多边形拉伸法更接近自然状态下睫状肌的径向牵引。该装置的紧凑特性使其能够将晶状体拉伸实验与多种分析技术及标准实验室环境相结合。作者将该工具定位为研究晶状体在调节过程中生物力学和光学行为的增强型实验平台；同时指出，观察到的屈光力变化（1.47 D）与所使用的特定位移（1.5 mm）是一致的，并不一定代表猪晶状体的最大调节幅度（此前文献表明其可能更高，约为 3.5 D）。该工作由一项涵盖此实验方法的中国待批专利申请支持。