Summary
Nous présentons une méthode automatisée de caractérisation du module d’élasticité effectif d’une lentille oculaire à l’aide d’un test de compression.
Abstract
Les propriétés biomécaniques du cristallin oculaire sont essentielles à sa fonction d’élément optique à puissance variable. Ces propriétés changent considérablement avec l’âge dans le cristallin humain, ce qui entraîne une perte de vision de près appelée presbytie. Cependant, les mécanismes de ces changements restent inconnus. La compression de la lentille offre une méthode relativement simple pour évaluer la rigidité biomécanique de la lentille dans un sens qualitatif et, lorsqu’elle est associée à des techniques analytiques appropriées, peut aider à quantifier les propriétés biomécaniques. Divers tests de compression de lentilles ont été effectués à ce jour, y compris des tests manuels et automatisés, mais ces méthodes n’appliquent pas systématiquement des aspects clés des tests biomécaniques tels que le préconditionnement, les taux de charge et le temps entre les mesures. Cet article décrit un test de compression d’objectif entièrement automatisé dans lequel une platine motorisée est synchronisée avec une caméra pour capturer la force, le déplacement et la forme de l’objectif tout au long d’un protocole de chargement préprogrammé. Un module d’élasticité caractéristique peut alors être calculé à partir de ces données. Bien qu’elle soit démontrée ici à l’aide de lentilles porcines, l’approche est appropriée pour la compression de lentilles de n’importe quelle espèce.
Introduction
Le cristallin est l’organe transparent et flexible que l’on trouve dans l’œil et qui lui permet de se concentrer sur différentes distances en modifiant son pouvoir de réfraction. Cette capacité est connue sous le nom d’hébergement. Le pouvoir de réfraction est altéré en raison de la contraction et de la relaxation du muscle ciliaire. Lorsque le muscle ciliaire se contracte, le cristallin s’épaissit et avance, augmentant son pouvoir de réfraction 1,2. L’augmentation de la puissance de réfraction permet à l’objectif de faire la mise au point sur les objets proches. Au fur et à mesure que les humains vieillissent, le cristallin devient plus rigide et cette capacité d’adaptation est progressivement perdue ; Cette condition est connue sous le nom de presbytie. Le mécanisme de raidissement reste inconnu, du moins en partie en raison des difficultés liées à la caractérisation biomécanique du cristallin.
Diverses méthodes ont été employées pour estimer la rigidité et les propriétés biomécaniques des lentilles. Il s’agit notamment de la rotation de la lentille 3,4,5, des méthodes acoustiques 6,7,8, des méthodes optiques telles que la microscopie Brillouin9, l’indentation10,11 et la compression 12,13. La compression est la technique expérimentale la plus accessible car elle peut être réalisée avec une instrumentation simple (par exemple, des lamelles en verre14,15) ou une seule platine motorisée. Nous avons précédemment montré comment les propriétés biomécaniques du cristallin peuvent être rigoureusement estimées à partir d’un essai de compression16. Ce processus est techniquement difficile et nécessite un logiciel spécialisé qui n’est pas facilement accessible aux chercheurs de lentilles qui s’intéressent aux mesures de rigidité relative. Par conséquent, dans la présente étude, nous nous concentrons sur des méthodes accessibles pour estimer le module d’élasticité de la lentille tout en tenant compte de la taille de la lentille. Le module d’élasticité est une propriété intrinsèque du matériau liée à sa déformabilité : un module d’élasticité élevé correspond à un matériau plus rigide.
L’essai lui-même est un essai de compression à plaques parallèles et peut donc être effectué sur des systèmes d’essai mécaniques commerciaux appropriés. Ici, un instrument sur mesure a été construit composé d’un moteur, d’une platine linéaire, d’un contrôleur de mouvement, d’une cellule de charge et d’un amplificateur. Ceux-ci ont été contrôlés à l’aide d’un logiciel personnalisé qui a également enregistré le temps, la position et la charge à intervalles réguliers. Les lentilles de porc ne sont pas adaptables, mais elles sont facilement accessibles et peu coûteuses17. La méthode suivante a été développée pour comprimer progressivement le cristallin et quantifier son module d’élasticité. Cette méthode peut être facilement reproduite et sera utile dans l’étude de la rigidité des lentilles.
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Protocol
Les yeux de porc provenaient d’un abattoir local. Aucune approbation du comité d’éthique n’a été requise.
1. Dissection du cristallin (Figure 1)
- Retirez tous les tissus environnants des yeux de porc et l’excès de chair de la sclérotique, jusqu’à ce qu’il ne reste que le nerf optique. Utilisez des pinces courbées et de petits ciseaux de dissection pour terminer ce processus. Utilisez le nerf comme point d’ancrage pour maintenir l’œil pendant la dissection.
- À l’aide d’un scalpel, faites une courte incision circonférentielle au limbe, puis une autre à l’équateur.
REMARQUE : Cette étape est effectuée dans cet ordre pour éviter d’endommager la lentille et la capsule. - Insérez des microciseaux dans la coupure au niveau du limbe et retirez la cornée en soulevant la cornée avec une pince fine à bout émoussé tout en coupant autour de la circonférence de la cornée.
- Retirez l’iris en le soulevant à l’aide d’une pince à bout émoussé et coupez-le avec des micro-ciseaux.
- Insérez des ciseaux de dissection dans la coupe équatoriale, puis coupez circonférentiellement autour de tout l’équateur jusqu’à ce que la sclérotique soit coupée en deux.
- Une fois la coupe terminée, retirez la partie postérieure de la sclère. Retirez doucement le vitré avec une pince, en laissant un minimum de restes pour éviter d’endommager le cristallin. Si nécessaire, coupez l’humeur vitrée coronalement pour permettre au postérieur de s’éloigner du cristallin et du segment antérieur.
- Faites une incision méridionale à travers la sclérotique d’avant en arrière à l’aide de microciseaux.
- En commençant par la nouvelle coupe méridionale à travers la sclérotique, utilisez des microciseaux pour couper les zonules loin du cristallin. À l’aide du poids de la lentille ou du bord de la boîte de dissection, étirez doucement les zonules lorsque vous écartez légèrement la lentille et la sclère, permettant aux microciseaux de couper entre la lentille et le corps ciliaire, à travers les zonules et autour de la circonférence de la lentille. Cela isolera la lentille sans endommager la capsule de la lentille si cela est fait correctement.
- Si vous le souhaitez, retirez la capsule à l’aide d’une pince pour percer la capsule à son équateur, puis retirez la capsule à l’aide de deux pinces.
- Placez la lentille dans une solution saline tamponnée au phosphate (PBS). Inspectez visuellement la lentille pour détecter tout dommage avant de procéder à un test mécanique.
2. Compression de l’objectif avec/sans capsule d’objectif (Figure 2)
REMARQUE : Toutes les étapes ici, à l’exception des étapes 2.1 et 2.4, sont contrôlées par ordinateur.
- Obtenir ou construire un appareil de compression à plaques parallèles doté d’un capteur de force d’une capacité de 50 grammes et capable de mesurer un déplacement de l’ordre de 1 μm.
- Programmez la platine motorisée et chargez la cellule pour qu’elle effectue le régime de charge décrit ci-dessous (p. ex., fichier supplémentaire 1).
- Remplissez presque une boîte carrée de 1 5/8 pouces x 1 5/8 pouces de PBS et placez-la sur la plate-forme de compression.
- Abaissez la plaque supérieure en contact avec la plaque inférieure pour déterminer la limite inférieure de mouvement et la hauteur absolue de l’écart.
- Soulevez la plaque supérieure de ~15 mm.
- Centrez l’objectif dans la boîte en veillant à ce que le plan équatorial soit horizontal.
- Abaissez la plaque supérieure près de la surface supérieure de l’objectif, mais pas en contact avec celle-ci.
- Initier le mouvement pour déplacer la plaque supérieure en contact avec l’objectif, en utilisant le retour de force avec un seuil de contact de 3 mN.
- Commencez l’enregistrement des données après la détermination du contact, de la durée d’enregistrement, de la position de la plaque supérieure par rapport à la plaque inférieure et de la force à 500 Hz.
- Appliquez une charge de préconditionnement où la lentille est comprimée de 2,5 % de sa hauteur initiale trois fois, puis 5 % trois fois, puis 7,5 % trois fois à un taux de 1 %/s.
- Maintenez la position de la plaque supérieure constante pendant 1 min après le préconditionnement.
- Appliquez une compression de 15 % à un taux de 1 %/s, suivie d’un déchargement au même rythme.
- Continuez le mouvement de déchargement jusqu’à ce que la plaque supérieure ait parcouru 2 % supplémentaires de l’épaisseur de la lentille non chargée en s’éloignant de la plaque inférieure pour vous assurer que la lentille est décollée de la plaque supérieure.
3. Estimation du module de la lentille
- Estimez l’épaisseur de la lentille en fonction de l’écart de l’instrument au point de contact. Vous pouvez également utiliser l’analyse d’image pour mesurer l’épaisseur d’une photographie prise avant le test.
- Calculer le module d’élasticité E à l’aide du modèle de Hertz pour la compression d’une sphère entre plaques parallèles (équation [1] ; Dossier supplémentaire 2).
(1)
Où R est le rayon de courbure au point de contact (supposé égal à la moitié de l’épaisseur de la lentille) ; F est la force de compression rapportée par le capteur de pesage ;
est le coefficient de Poisson (supposé égal à 0,5 correspondant à un matériau incompressible) ; et u est l’approche descendante de l’étage supérieur à partir du point de contact. Notons que le module d’élasticité et le coefficient de Poisson sont des propriétés matérielles indiquant respectivement la rigidité intrinsèque de la lentille et la compressibilité relative de la lentille.
REMARQUE : Cette méthode néglige tout rôle de la capsule de lentille mais tient compte approximativement de la taille de la lentille, ce qui permet une comparaison entre les espèces.
(1)
est le coefficient de Poisson (supposé égal à 0,5 correspondant à un matériau incompressible) ; et u est l’approche descendante de l’étage supérieur à partir du point de contact. Notons que le module d’élasticité et le coefficient de Poisson sont des propriétés matérielles indiquant respectivement la rigidité intrinsèque de la lentille et la compressibilité relative de la lentille.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Six lentilles porcines ont été comprimées, d’abord avec la capsule intacte, puis après un retrait soigneux de la capsule. Les valeurs d’épaisseur étaient de 7,65 ± 0,43 mm pour les lentilles encapsulées et de 6,69 ± 0,29 mm pour les lentilles décapsulées (moyenne ±écart-type). Un historique de chargement typique est illustré à la figure 3. Les courbes force-déplacement qui en résultent ont été bien ajustées par le modèle de Hertz (c’est-à-dire qu’elles avaient une force proportionnelle au déplacement élevé à la puissance 1,5 ; Graphique 4). Cela était vrai pour les lentilles encapsulées et décapsulées.
Les lentilles ont d’abord été comprimées de 15 % de leur épaisseur non chargée avec une capsule intacte, puis après retrait de la capsule. Il a déjà été démontré qu’une compression axiale de 15 % de l’épaisseur initiale n’endommage pas les sutures du cristallin18. La décapsulation a entraîné une diminution significative du module d’élasticité effectif (n = 6 ; p = 0,0138 ; Graphique 5).
Figure 1 : Technique de dissection. (A) Les tissus extraoculaires sont enlevés. (B) Une incision circonférentielle est pratiquée au niveau du limbe. (C) Une coupe circonférentielle est pratiquée à l’équateur. (D) La cornée est enlevée. (E) L’iris est enlevé. (F) L’œil est coupé en deux à l’équateur, puis (G) le vitré est enlevé, laissant (H) un anneau annulaire contenant le cristallin, le corps ciliaire et les zonules encore attachés à la sclérotique. (I) Une incision méridionale est faite à travers la sclérotique pour (J) donner accès aux zonules, (K) qui sont coupées en laissant (L) le cristallin encapsulé. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Appareil d’essai de compression. (A) Schéma et (B) photographie de l’appareil de compression de l’objectif. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Historique de charge appliqué à une lentille porcine encapsulée. En haut : Historique des déplacements. En bas : Historique des forces. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Données de force-déplacement typiques ajustées avec le modèle de Hertz. À gauche : Données d’une lentille porcine encapsulée. À droite : données de compression pour le même objectif après décapsulation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Diagramme en boîte et moustaches des modules d’élasticité effectifs du cristallin porcin encapsulé et décapsulé. Le module effectif des lentilles encapsulées était significativement plus élevé que celui des lentilles décapsulées (p = 0,013), ce qui indique que la présence de la capsule peut modifier considérablement la rigidité effective de la lentille. Les données concernent six lentilles. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Fichier supplémentaire 1 : Application MATLAB pour contrôler l’appareil de compression de l’objectif. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier supplémentaire 2 : Fonction MATLAB pour estimer le module d’élasticité à partir de données de force-compression. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
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Discussion
La compression de la lentille est une méthode polyvalente pour estimer la rigidité de la lentille. Les procédures décrites ci-dessus permettent de comparer des lentilles de différentes espèces et de différentes tailles. Toutes les déformations sont normalisées en fonction de la taille de la lentille, et le calcul du module d’élasticité tient compte approximativement de la taille de la lentille. Le module effectif est considérablement plus élevé que le module signalé précédemment pour le cristallinporcin 4,7,11,19, au moins en partie en raison de l’utilisation de l’épaisseur plutôt que du rayon de courbure : les rayons polaires de courbure du cristallin porcin sont significativement plus grands que la moitié de l’épaisseur 20.
L’analyse simple (c’est-à-dire l’utilisation du modèle de Hertz) présentée ici présente plusieurs limites clés. Tout d’abord, il ne tient pas compte de la présence de la capsule du cristallin. Il a été démontré que la présence de la capsule peut altérer de manière significative les propriétés biomécaniques de la lentille16,21. Par conséquent, il est préférable d’appliquer cette méthode aux lentilles décapsulées. Ceci est particulièrement important lors de la comparaison d’espèces dans les cas où la capsule peut avoir des épaisseurs ou des propriétés biomécaniques significativement différentes. Cette méthode suppose également que la lentille est mécaniquement homogène ; Nous avons déjà montré, avec d’autres, que ce n’est généralement pas le cas pour les lentilles porcines ou humaines 4,5,6,10,11,22. Ainsi, il est préférable de considérer la valeur du module d’élasticité calculée comme un module effectif, qui est vraisemblablement lié à la moyenne volumétrique du module variant spatialement dans la lentille. Le modèle de Hertz suppose que la lentille est linéairement élastique, alors qu’elle est connue pour être viscoélastique ; Ainsi, l’analyse simple proposée ici est incapable de fournir des informations sur la viscoélasticité des lentilles. Des travaux antérieurs ont également montré que la méthode et la durée de stockage de la lentille avant l’essai peuvent modifier les propriétés de la lentille4 ; Tous les cristallins porcins ont donc été testés immédiatement après la dissection à leur arrivée au laboratoire.
La différence dans les mesures force-déplacement est due au bruit de l’amplificateur de la cellule de charge : le retrait de la capsule rend les mesures de force considérablement plus faibles, et donc le rapport signal/bruit est plus faible. Les hypothèses utilisées pour dériver le modèle de Hertz sont les suivantes : la sphère est un matériau homogène ; Par conséquent, le module d’élasticité effectif est en quelque sorte la moyenne de la déformabilité de la lentille et de sa capsule lorsque la capsule est présente. Cela rend les comparaisons inter-espèces et inter-âges particulièrement difficiles car un cristallin porcin a une capsule de ~60 μm d’épaisseur, tandis qu’un cristallin de souris ou d’humain a une capsule de l’ordre de 5 à 15 μm d’épaisseur. Le module d’élasticité de la capsule peut également varier avec l’espèce et l’âge, bien que ces dépendances soient inconnues. Ainsi, bien qu’il soit possible d’obtenir un ajustement moins bruyant avec la capsule, la comparaison est intrinsèquement confondue par la présence de la capsule - c’est la raison pour laquelle nous recommandons d’effectuer le test sans la capsule.
Enfin, le module effectif a été calculé en supposant que le rayon de courbure était la moitié de l’épaisseur de la lentille. Cela n’est vrai que pour une lentille sphérique ; Le cristallin porcin est significativement asphérique et les valeurs du module effectif sont donc considérablement plus élevées qu’elles ne le seraient si le rayon de courbure était utilisé à la place. Cette dernière hypothèse peut être surmontée en mesurant les rayons de courbure, bien que cela puisse être compliqué pour la surface inférieure qui est toujours plane en raison du contact avec la plaque inférieure. Il est également moins important pour les lentilles plus sphériques telles que les lentilles murines. Mieux encore, l’utilisation de l’analyse par éléments finis inverses permet de déterminer les propriétés mécaniques de la lentille16.
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Disclosures
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.
Acknowledgments
Soutenu par la subvention R01 EY035278 (MR) des National Institutes of Health.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Curved Medium Point General Purpose Forceps | Fisherbrand | 16-100-110 | |
| Galil COM Libraries | Galil Motion Control | ||
| High Precision Scalpel Handle | Fisherbrand | 12-000-164 | |
| Linear Stage | McMaster-Carr | 6734K4 0.125" | |
| Load Cell | FUTEK | LSB200-FSH03869 | |
| Load Cell Amplifier | FUTEK | IAA300-FSH03931 | |
| MATLAB | The Mathworks, Inc. | ||
| Microprobe | Surgical Design | 22-079-740 | |
| Miniature Self Opening Precision Scissors | Excelta | 63042-004 | |
| Motion Controller | Galil Motion Control | DMC-31012 | |
| Motor | Galil Motion Control | BLM-N23-50-1000-B | |
| Straight Hemastats | Fine Science | NC9247203 | stainless steel, 14cm |
References
- Gullstrand, A. Helmholtz's treatise on physiological optics. translated edn. The Optical Society of America. , Rochester, N.Y. (1924).
- Helmholtz, H. Uber die akkommodation des auges. Arch Ophthalmol. 1, 1-74 (1855).
- Burd, H. J., Wilde, G. S., Judge, S. J. An improved spinning lens test to determine the stiffness of the human lens. Exp Eye Res. 92 (1), 28-39 (2011).
- Reilly, M. A., Martius, P., Kumar, S., Burd, H. J., Stachs, O. The mechanical response of the porcine lens to a spinning test. Z Med Phys. 26 (2), 127-135 (2016).
- Fisher, R. F. The elastic constants of the human lens. J Physiol. 212 (1), 147-180 (1971).
- Erpelding, T. N., Hollman, K. W., O'Donnell, M. Spatially mapping the elastic properties of the lens using bubble-based acoustic radiation force. IEEE Ultrasonics Symp. 1, 613-616 (2005).
- Erpelding, T. N., Hollman, K. W., O'Donnell, M. Mapping age-related elasticity changes in porcine lenses using bubble-based acoustic radiation force. Exp Eye Res. 84 (2), 332-341 (2007).
- Yoon, S., Aglyamov, S., Karpiouk, A., Emelianov, S. A high pulse repetition frequency ultrasound system for the ex vivo measurement of mechanical properties of crystalline lenses with laser-induced microbubbles interrogated by acoustic radiation force. Phys Med Biol. 57 (15), 4871-4884 (2012).
- Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. In vivo measurement of age-related stiffening in the crystalline lens by Brillouin optical microscopy. Biophys J. 101 (6), 1539-1545 (2011).
- Weeber, H. A., Gabriele, E., Wolfgang, P.
- Reilly, M. A., Ravi, N. Microindentation of the young porcine ocular lens. J Biomech Eng. 131 (4), 044502 (2009).
- Gu, S., et al. Connexin 50 and AQP0 are essential in maintaining organization and integrity of lens fibers. Invest Ophthalmol Vis Sci. 60 (12), 4021-4032 (2019).
- Sharma, P. K., Busscher, H. J., Terwee, T., Koopmans, S. A., van Kooten, T. G. A comparative study on the viscoelastic properties of human and animal lenses. Exp Eye Res. 93 (5), 681-688 (2011).
- Cheng, C., Gokhin, D. S., Nowak, R. B., Fowler, V. M. Sequential application of glass coverslips to assess the compressive stiffness of the mouse lens: strain and morphometric analyses. J Vis Exp. (111), e53986 (2016).
- Baradia, H., Negin, N., Adrian, G.
- Reilly, M. A., Cleaver, A. Inverse elastographic method for analyzing the ocular lens compression test. J Innov Opt Health Sci. 10 (06), 1742009 (2017).
- Hahn, J., et al. Measurement of ex vivo porcine lens shape during simulated accommodation, before and after fs-laser treatment. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (9), 5332-5343 (2015).
- Parreno, J., Cheng, C., Nowak, R. B., Fowler, V. M. The effects of mechanical strain on mouse eye lens capsule and cellular microstructure. Mol Biol Cell. 29 (16), 1963-1974 (2018).
- Yoon, S., Aglyamov, S., Karpiouk, A., Emelianov, S. The mechanical properties of ex vivo bovine and porcine crystalline lenses: age-related changes and location-dependent variations. Ultrasound Med Biol. 39 (6), 1120-1127 (2013).
- Reilly, M. A., Hamilton, P., Gavin, P., Nathan, R. Comparison of the behavior of natural and refilled porcine lenses in a robotic lens stretcher. Exp Eye Res. 88 (3), 483-494 (2009).
- Mekonnen, T., et al. The lens capsule significantly affects the viscoelastic properties of the lens as quantified by optical coherence elastography. Front Bioeng Biotechnol. 11, 1134086 (2023).
- Wilde, G. S., Burd, H. J., Judge, S. J. Shear modulus data for the human lens determined from a spinning lens test. Exp Eye Res. 97 (1), 36-48 (2012).
