激光对生物组织的光蚀除作用

Srinivasan和Mayne-Banton(1982年)首先发现了光蚀除现象,他们认为光蚀除是当某种材料在高强度的激光辐照曝光下,就会产生分解。在激光脉冲为纳秒量级范围内时,这种作用的典型阈值为107~108W/cm2。蚀除的深度由脉冲能量决定,但有一个饱和极限。被蚀除的几何形状由激光束的空间参数决定。实验表明,用这种方法对组织进行切除是一种干净而又精确的方式,它没有产生凝结或汽化等热损伤。这种由紫外光诱导的蚀除作用被称为光蚀除作用(photoablation)。

利用光蚀除作用治疗近视眼等的角膜屈光手术是应用较为广泛的技术之一。角膜屈光手术通过改变角膜表面不同区域角膜的厚度,从而改变前表面的曲率来矫正近视、远视和散光。最多的应用是通过准分子激光(excimer laser)照射角膜表面或基质,使其产生光蚀除作用,组织被切削。

起初用来研究光蚀除作用的物质为聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmetacrylate,PMMA)和其他合成有机聚合物。由于这类材料具有较好的均一性,在试验中模型容易建立,并且容易理解。而且在非均一的生物组织中这些理论也适用。Garrison和Srinivasan(1985年)用牛顿运动方程对PMMA的光蚀除作用作了模拟。他们认为,这种聚合物是由各个无定性结构的单体通过强大的相互作用力而固定在一起的。在激光辐射时这种相互作用力可模拟为,把单体单位在直接激发下使它们原来的相互吸收状态变为相互排斥状态。这种变化与每个单体所占的体积的变化有关,这就导致了动量传递,即为蚀除过程。为了对光蚀除过程进行物理解释,我们假设两个原子A和B是由普通的电子束缚在一起的。由于大分子的结构把每个电子能级又细分成许多振动态,吸收光子后,两个原子有可能被激励到激发态(AB)*。如果吸收了紫外光子,它的能量增量通常足够高,足以使它进入一个电子状态,并已超过键结合能。在这种情况下,这两个原子A和B有可能在紧接着振动时发生分离。所以,光蚀除作用可以用以下两个过程来表示

  1. 激发:AB+hν→(AB)*
  2. 离解:(AB)*→A+B+Ekin

准分子激光器是从20世纪70年代发展起来的高能量紫外波段激光器,1983年,美国的Trokel等首先用ArF准分子激光进行角膜切削的实验研究。1985年,德国Seiler等将准分子激光用于眼科临床。准分子激光二聚体被激活后所产生的高能量光子束,是一种远紫外激光,每个光子具有6. 4eV的能量,远远高于角膜组织中肽键与碳酸分子键的共价键维持能量3. 4eV。激光照射角膜组织时,是其分解成小片段而产生蚀除作用。这种光蚀除作用可以被严格的控制,每个激光脉冲大约可以每次蚀除0. 24μm的组织。当这些高能量的光子与曝光的组织相互作用时,大分子的组织碎片被释放出来,这些大分子碎片再继续吸收多余的能量发生爆炸,最后大量的活跃的能量被作用于这些分子和粒子,这些粒子在获得能量后以每秒3km的速度从组织表面喷射出来。在临床上,准分子激光蚀除角膜组织后,会产生碎屑,有研究显示其包含有单个原子(C、N、H、O),分子(C2、CN、CH、CO)以及稳定生成物(MMA-单体、HCN、苯)等。下图为准分子激光的蚀除原理图。

准分子激光的蚀除原理图

准分子激光的蚀除原理图

最初认为,光蚀除作用为非热损伤的过程,所以在切削角膜组织时很少或者几乎没有对周围的组织产生破坏。将切削标本置于电子显微镜下观察可以发现,切削区只有0. 2μm区域的基质被破坏,和光蚀除的精度相同。尽管这个过程没有热损伤,但是在蚀除区周围的组织的温度也会增加10~20℃,这个热效应明显大于一些高重复率的激光,这个温度的改变不足以使周围的胶原组织发生变性,但是在用扫描电镜观察准分子激光的蚀除面时,看到的类似于熔融的表面现象跟形成的一层假膜有关,因此,准分子激光作用有时也被称作准分子激光消融。从图3-4可以看到一个被准分子激光曝光后整洁的均匀的被蚀除的平面,放大至1. 00k倍后看到的表面可能与形成的假膜有关。由于该过程包含有分子的解离过程,即存在化学变化因此早期也有被称做“光化学作用”。图3-5显示了兔角膜PRK术后一周的组织反应。

准分子激光(脉冲持续时间为320nm,能量密度为160mJ/cm2,频率为10Hz)曝光后角膜基质表面的扫描电镜

准分子激光(脉冲持续时间为320nm,能量密度为160mJ/cm2,频率为10Hz)曝光后角膜基质表面的扫描电镜

兔角膜准分子激光照射(PRK)术后一周组织反应

兔角膜准分子激光照射(PRK)术后一周组织反应

A.免疫荧光染色;B.细胞核DAPI染色。曝光时间1秒,放大倍率,×100

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