红外飞秒多光子交联，让人眼角膜更坚强

圆锥角膜是一种伴有高度不规则散光和近视的双侧非炎症性角膜扩张疾病，严重时可导致失明，是全世界角膜移植最常见的适应症之一。紫外光诱导角膜胶原交联（CXL）是治疗圆锥角膜疾病的一种有效方法，可以阻止甚至逆转圆锥角膜扩张，延缓角膜移植需要，同时还能提高角膜的屈光能力，改善近视导致的视觉质量下降，引起了广泛关注。但是，紫外线暴露下对角膜组织细胞损伤风险严重，并且为减轻紫外线辐射损伤角膜内皮细胞，该方案对患者角膜厚度也提出了严苛要求。此外，由于紫外光穿透深度低，只能诱导角膜前表组织交联，影响角膜整体力学性能提升。如何进一步提升角膜交联的安全性和有效性成为了该领域亟需解决的关键科学问题。

近年来，凭借高对比度、高穿透深度、低光毒性、高通量等优势，基于飞秒激光多光子吸收效应的荧光成像和微纳加工技术在众多领域大显身手。该方法可在亚微米甚至纳米范围内实现与材料或者生物基质的高精度、安全相互作用，附带损伤最小，为上述问题的解决打开了新思路。

近日，南开大学现代光学研究所刘伟伟教授团队与天津市眼科医院王雁教授团队合作提出了基于近红外飞秒激光双光子效应诱导人眼角膜组织胶原交联方法。该方法利用近红外光高穿透性和多光子吸收作用精度高的双重优势，具有更高的精度和安全性。研究人员将飞秒激光脉冲聚焦至角膜基质并逐点扫描，改变激光参数和扫描参数，通过单轴拉伸试验观察研究飞秒激光双光子交联效应对角膜角膜力学性能的提升，同时通过透过率光谱测试评估该方法是否对角膜透过率产生负面影响。研究发现，红外飞秒激光可以通过双光子吸收效应有效激发核黄素，核黄素与氧气反应生成氧自由基，诱导胶原纤维交联。通过参数优化，在不显著降低角膜透明度(<3%)的情况下，最高可将角膜硬度提高296%(图1)。该方法为体内人眼角膜三维交联治疗圆锥角膜等眼科疾病奠定了基础，具有更高的安全性、准确性和有效性。

图1. 离体人眼角膜基质透镜双光子胶原交联实验流程及效果

2023年2月，相关成果以“Two-photon collagen crosslinking in ex vivo human corneal lenticules induced by near-infrared femtosecond laser”为题，以封面论文（Front Cover）形式发表在国际知名期刊生物光子学杂志 《Journal of Biophotonics》。南开大学现代光学研究所副研究员齐鹏飞及天津市眼科医院王雁教授为通讯作者。南开大学现代光学研究所硕士研究生成振洲及南开大学现代光学研究所副研究员张楠为本文第一作者。

论文地址： http://dx.doi.org/10.1002/jbio.202200160