隱形眼鏡透氧量以及透氧性測試方法介紹

摘要：氧氣，是眼角膜正常生理代謝的基礎(chǔ)，佩戴隱形眼鏡會使角膜的攝氧發(fā)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(shù)Dk是國際統(tǒng)一的隱形眼鏡透氧性指標(biāo)，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(shù)和透氧量，對企業(yè)新型鏡片的材料選擇、含水量和厚度的設(shè)計以及消費者的選購提供了有效的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隱形眼鏡、透氧系數(shù)、庫倫法

　　　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(dá)到矯正近視、遠(yuǎn)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(zhì)、厚度和含水量的高低，實際上，這些設(shè)計多是為了提高鏡片的透氧性。透氧性才是關(guān)系到角膜健康、佩戴舒適的重要指標(biāo)。

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(chǎn)生的三磷酸腺苷（ATP）。當(dāng)角膜攝取氧充足時，一個分子的葡萄糖代謝后能產(chǎn)生36個ATP，而缺氧狀態(tài)下生成ATP的數(shù)量大幅下降，無氧供給時僅產(chǎn)生2個ATP，能量供給嚴(yán)重不足，從而使角膜的水平衡遭到破壞，電解質(zhì)代謝紊亂，角膜實質(zhì)層發(fā)生水腫增厚。由此可見，角膜的氧氣攝取量是促進(jìn)角膜糖代謝、保證其正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

　　當(dāng)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(zhì)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(shè)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(jì)70年代后，逐漸將硅、氟、酮以有機(jī)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(fā)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(zhì)特性有關(guān)，另一方面也與含水量、厚度以及鏡片老化程度密切相關(guān)。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(fā)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(fā)隱形眼鏡時平衡含水量和厚度設(shè)計，獲得zui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(yè)界采用測定成品鏡片的氧氣透過量Dk/t和氧氣透過系數(shù)Dk的方法。Dk是指在規(guī)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(biāo)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(fù)性好的特點。圍繞極譜法已有較多的文獻(xiàn)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(shù)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(qū)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(jìn)入載氣流，被送至庫侖傳感器中，該傳感器產(chǎn)生一個與流經(jīng)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(jìn)而計算得出透氧系數(shù)。具體測試方法如下：

　　1、試樣和儀器準(zhǔn)備。準(zhǔn)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(tǒng)，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(tǒng)、控溫控濕系統(tǒng)及相關(guān)管路構(gòu)成，用于氧氣和載氣的流通、電流的轉(zhuǎn)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(cè)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(huán)境。

　　測試前，應(yīng)當(dāng)去除測試樣品材料和系統(tǒng)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(yīng)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(huán)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(shè)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(xù)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(dá)到峰值，后逐漸穩(wěn)定在一個較低的值，即零電壓輸出（V₀），根據(jù)測試材料透氧性的不同，除氧過程通常持續(xù)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(cè)，氧氣透過鏡片樣品，進(jìn)入庫倫傳感器輸出電壓，當(dāng)輸出值穩(wěn)定為一個數(shù)值時，此時的電壓值為最終值（V_E）。

　　5、測試結(jié)果計算。首先根據(jù)式1，計算出氧流量量率（μLO₂/s）。進(jìn)而據(jù)式2推算出鏡片的透氧系數(shù)。

　　qo₂=K×(V_E-V₀)/R_L  --------------------------------------  (1)

　　其中，K——校正常數(shù)；V_E——最終電壓輸出；V₀——零電壓輸出；R_L——負(fù)載阻抗；

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

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

　　式1涉及到一個校正常數(shù)K，這就引出了系統(tǒng)標(biāo)定的概念。經(jīng)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(yīng)時間被削弱。因此使用庫倫傳感器測試透氧性需結(jié)合定期的傳感器校驗，這依靠于一個已知透氧量（Dk/t）的標(biāo)準(zhǔn)材料。通常采用的標(biāo)準(zhǔn)材料為SRM1470，其Dk/t為0.072±0.0045Dk/t單位。通過上述方法測試標(biāo)準(zhǔn)材料，據(jù)式2推導(dǎo)出氧流量量率qo₂，繼而再根據(jù)式1得出校正常數(shù)K值。利用校正常數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對測試系統(tǒng)和結(jié)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(tǒng)對三款不同品牌的硬性隱形眼鏡的Dk值進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如下：

表1 三種品牌硬性隱形眼鏡的透氧系數(shù)Dk

　　在現(xiàn)實中，Dk是衡量材料透氧系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，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(lián)系在一起。因此，業(yè)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(dá)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(dá)到11%和14%，均適宜長期佩戴。

四、結(jié)語

　　氧氣，是眼角膜正常生理代謝的基礎(chǔ)，佩戴隱形眼鏡會使角膜的攝氧發(fā)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(shù)Dk是國際統(tǒng)一的隱形眼鏡透氧性指標(biāo)，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(shù)和透氧量，對企業(yè)新型鏡片的材料選擇、含水量和厚度的設(shè)計以及消費者的選購提供了有效的參考依據(jù)。