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      摘要 氧氣,是眼角膜正常生理代謝的基礎,佩戴隱形眼鏡會使角膜的攝氧發生不同程度的折損,造成角膜水腫、血管增生等一系列病變。因此,隱形眼鏡的透氧性越高,對角膜的損傷越小,更適合于長期佩戴。透氧系數Dk是國際統一的隱形眼鏡透氧性指標,采用庫倫法能快速精確的測定出硬性和非水凝膠彈性隱形眼鏡材料的透氧系數和透氧量,對企業新型鏡片的材料選擇、含水量和厚度的設計以及消費者的選購提供了有效的參考依據。
      關鍵字 隱形眼鏡、透氧系數、庫倫法,氧氣透過率檢測
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        隱形眼鏡,即角膜接觸鏡,是一種戴在眼球角膜上改變眼睛的屈光能力,而達到矯正近視、遠視、散光,以及治療某些眼部疾病的目的。佩戴隱形眼鏡既美觀方便,又視野寬廣,令越來越多人拋棄框架鏡投入到隱形眼鏡族中。佩戴者在選擇隱形眼鏡時多注重鏡片材質、厚度和含水量的高低,實際上,這些設計多是為了提高鏡片的透氧性。透氧性才是關系到角膜健康、佩戴舒適的重要指標。

      一、隱形眼鏡的透氧性

        角膜的正常生理功能所需能量依賴于其葡萄糖代謝產生的三磷酸腺苷(ATP)。當角膜攝取氧充足時,一個分子的葡萄糖代謝后能產生36個ATP,而缺氧狀態下生成ATP的數量大幅下降,無氧供給時僅產生2個ATP,能量供給嚴重不足,從而使角膜的水平衡遭到破壞,電解質代謝紊亂,角膜實質層發生水腫增厚。由此可見,角膜的氧氣攝取量是促進角膜糖代謝、保證其正常運轉的關鍵。

        當佩戴隱形眼鏡后,角膜氧供主要來自兩個渠道:一是淚液運載氧氣透過鏡片,二是鏡片邊緣淚液的排吸交換。隱形眼鏡有硬性和軟性之分,因材質和特點的不同,兩種鏡片的攝氧方式存在一定的差異。硬性隱形眼鏡是由透明塑膠聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成,具有良好的加工性,適合各種屈光不正患者的針對性設計,但PMMA幾乎無透氧性,角膜的供氧主要由鏡片邊緣淚液的排吸交換完成。從20世紀70年代后,逐漸將硅、氟、酮以有機組合的形式添加到PMMA中,大大增加了鏡片的氧氣透過性,最終形成了今天的硬性隱形眼鏡新形式——高透氧硬性隱形眼鏡(RGP)。軟性隱形眼鏡(SCL)由親水性合成高分子化合物制成,含水量高、氧透過性好,與RGP一樣主要通過鏡片的透氧性直接向角膜供氧。

        基于目前使用最為廣泛的SCL和RGP皆依靠自身的透氧性維持角膜的氧代謝,因此鏡片的氧氣透過性越高,引發角膜損傷或病變的幾率越低,佩戴體驗更加舒適。隱形眼鏡的透氧性一方面與自身材質特性有關,另一方面也與含水量、厚度以及鏡片老化程度密切相關。一般情況下,鏡片的透氧性與含水量成正比、與鏡片厚度成反比,但二者卻存在著矛盾。若鏡片制的過薄且含水量高,雖有利于氧氣的透過,但鏡片中心材料太少,極易蒸發脫水,繼而吸收淚液維持原含水量,造成眼睛脫水干澀。如何在研發隱形眼鏡時平衡含水量和厚度設計,獲得最佳透氧性成為研究的重點。為了便于衡量隱形眼鏡的透氧性,業界采用測定成品鏡片的氧氣透過量Dk/t和氧氣透過系數Dk的方法。Dk是指在規定條件和單位壓力差作用下,氧分子通過單位面積、單位厚度鏡片材料的速度,反映了某種鏡片材料容許氧氣透過的性能。Dk/t則是針對具體厚度的鏡片的透氧量,二者相比這下Dk/t更能反映成品眼鏡的氧氣透過性能。

      二、測試方法介紹

        上述隱形眼鏡透氧性指標的測試主要有極譜法和庫倫法,二者皆具有方便、實用和重復性好的特點。圍繞極譜法已有較多的文獻研究,因此本文將重點介紹庫倫法的測試過程。這種方法適用于硬性和非水凝膠彈性接觸鏡材料的透氧系數和透氧量,其原理為:將隱形眼鏡裝入測試腔,測試腔被分為上下兩部分,在35℃、100%RH下使用接觸鏡前、后表面區域(即腔體上下兩部分)分別接觸到氧氣和作為載氣的氮氣。隱形眼鏡兩邊的壓力相等,但氧氣分壓不同,氧氣在濃度差作用下透過鏡片進入載氣流,被送至庫侖傳感器中,該傳感器產生一個與流經探測器的氧濃度成比例的電流,從而計算出材料的氧流量量率,進而計算得出透氧系數。具體測試方法如下:

        1、試樣和儀器準備。準備99.9%的氧氣和含氫2%的氮氣分別作為試驗氣體和載氣備用。儀器采用OX2/230氧氣透過性測試系統,其包含氧氣傳輸分析部分和測試腔部分(見圖1)。前者由庫倫傳感器、記錄分析系統、控溫控濕系統及相關管路構成,用于氧氣和載氣的流通、電流的轉化與記錄、溫濕度控制等作用。測試腔不透氧且分成兩半,外側包圍一圈水面略低于槽壁的凹槽,為鏡片提供100%RH的濕度以模擬使用環境。

       

        測試前,應當去除測試樣品材料和系統中所有的氧。對高透氧材料而言,測量前從測試腔中除氧即可。然而,對非水凝膠低透氧材料,如PMMA,在測試腔封閉并隨后凈化除氧前,鏡片試樣應在氯化鈣的干燥劑下放置至少48h。

        2、安裝試樣。將鏡片試樣的后表面外圍放置于下測試腔的涂有真空油脂的環形光滑表面上,確保樣品無褶皺。將測試腔的上部分扣合在裝有試樣的下半部分測試腔體上,夾緊,并在周圍凹槽中注入一定量的蒸餾水,封閉測試腔罩蓋,如圖2。

       

        3、除氧。設定載氣以50mL/min~60 mL/min的速率流入測試腔上下部分。3min~4min后,流速下降到5mL/min~15 mL/min并維持10min~30min。此時測試腔殘留的氧氣從鏡片試樣中連續脫出,攜帶氧氣的載氣流被輸送到庫倫傳感器,傳感器的輸出起先會快速升高達到峰值,后逐漸穩定在一個較低的值,即零電壓輸出(V0),根據測試材料透氧性的不同,除氧過程通常持續30分鐘至十幾個小時。

        4、測試。將氧氣和載氣維持以除氧的最終速率分別流入測試腔上下兩側,氧氣透過鏡片樣品,進入庫倫傳感器輸出電壓,當輸出值穩定為一個數值時,此時的電壓值為最終值(VE)。

        5、測試結果計算。首先根據式1,計算出氧流量量率(μLO2/s)。進而據式2推算出鏡片的透氧系數。

        qo2=K×(VE-V0)/R--------------------------------------  (1)

        其中,K——校正常數;VE——最終電壓輸出;V0——零電壓輸出;RL——負載阻抗;

        Dk=t×qo2×0.001/(PA×A)-------------------------------  (2)

        其中,Dk——測試樣品的透氧系數,10-11(cm2/s)·[mLO2/(mL·hPa)];PA——(大氣壓-水蒸氣壓),hPa;t——徑向厚度或平均調和中心厚度,cm;A——測試樣品的暴露面積,cm2;qo2——流經探測器的氧流量量率,μLO2/s;1/103——將μL轉化為mL的系數;

        式1涉及到一個校正常數K,這就引出了系統標定的概念。經驗表明,在某些條件下,庫倫傳感器可能會耗盡或損壞,以至于其效率和響應時間被削弱。因此使用庫倫傳感器測試透氧性需結合定期的傳感器校驗,這依靠于一個已知透氧量(Dk/t)的標準材料。通常采用的標準材料為SRM1470,其Dk/t為0.072±0.0045Dk/t單位。通過上述方法測試標準材料,據式2推導出氧流量量率qo2,繼而再根據式1得出校正常數K值。利用校正常數能夠實現對測試系統和結果的初步校正。

      三、典型案例測試

        筆者依照上述方法利用OX2/230氧氣透過率測試系統對三款不同品牌的硬性隱形眼鏡的Dk值進行了測試,測試結果如下:

      表1 三種品牌硬性隱形眼鏡的透氧系數Dk

      試樣

      Dk  

      10-11(cm2/s)·[mLO2/(mL·hPa)]

      品牌一

      150

      品牌二

      66

      品牌三

      48

        在現實中,Dk是衡量材料透氧系數的標準參數,雖精確但缺乏形象感,對于新人和消費者來說很難把Dk值與具體角膜攝氧量以及舒適度聯系在一起。因此,業界有時會采用等效氧百分比(EOP)的形式表示角膜上的氧含量,即隱形眼鏡的透氧性。EOP表示混合氣體中氧氣的濃度,大氣中氧含量為21%,閉眼時為7%左右,隱形眼鏡長期佩戴的最低需求和理想含量分別為12%左右和18%左右。對于Dk值為150的品牌一隱形眼鏡,佩戴后角膜的氧含量基本能達到17%~19%,佩戴品牌三和品牌二的隱形眼鏡后角膜氧含量能達到11%和14%,均適宜長期佩戴。

      四、結語

        氧氣,是眼角膜正常生理代謝的基礎,佩戴隱形眼鏡會使角膜的攝氧發生不同程度的折損,造成角膜水腫、血管增生等一系列病變。因此,隱形眼鏡的透氧性越高,對角膜的損傷越小,更適合于長期佩戴。透氧系數Dk是國際統一的隱形眼鏡透氧性指標,采用庫倫法能快速精確的測定出硬性和非水凝膠彈性隱形眼鏡材料的透氧系數和透氧量,對企業新型鏡片的材料選擇、含水量和厚度的設計以及消費者的選購提供了有效的參考依據。

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