研究背景和目的:白内障是全球第一位的致盲性眼病,白内障致盲被认为是本世纪最大的公共卫生挑战之一。目前医学界公认的最有效治疗方法是超声乳化联合人工晶状体（Intraocular Lens,IOL）植入手术。眼科医生不仅希望恢复白内障患者术后视力,更希望他们的术后视觉质量达到最佳。目前常用的单焦点人工晶体无法实现变焦功能,最先进的人工晶体也只能通过光学衍射或折射的原理实现多个焦点成像,但本质上,这类人工晶体并不具有变焦功能,人工晶体植入后患者术后视觉适应性差,往往需要佩戴眼镜才能满足日常用眼需求,如何制造一种具有可变焦功能的人工晶体是人工晶体研究的热点问题。寻找一种可变焦的人工晶体材料是本研究首先要解决的问题。聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料是一种通过离子键、共价键、氢键或范德华力作用交联形成的三维网络高分子聚合物材料,这种材料能对外界刺激（如温度、光强度、p H值或离子浓度等变化）产生响应,可以通过可逆的变形改变其大小和形状,达到改变光线折射率的目的。由于聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料的优良变形性能,本研究推测其可作为一种制作可变焦人工晶体的理想材料,如果将其制造为人工晶体并具备变焦功能,可满足白内障术后患者的用眼需求。如何将聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料制作成人工晶体是一个亟待解决的难题。目前有研究将聚甲基丙烯酸甲酯材料直接三维打印成人工晶体,但打印出的人工晶体透明性差,且表面不光滑,无法达到使用标准。本研究创新性提出采用三维打印人工晶体模具,再灌注聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料的方法制造人工晶体,有望获得达到完全透明且符合人工晶体使用标准的新型人工晶体,同时这种制造方法可以根据患者眼部数据,个性化制造人工晶体模具,为最终获得个性化的人工晶体提供实验基础。新型材料制备的人工晶体的精准性、稳定性和生物相容性至关重要。因此,本课题拟研究聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶作为人工晶体材料的可行性、其制造为人工晶体的关键技术,同时验证其作为人工晶体的精准性、稳定性和生物相容性,为该类人工晶体临床运用奠定实验基础。材料和方法:1、采用空心圆柱状结构模具和带边缘限制的空心圆柱状结构模具装载聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料,研究其在无模具限制和有模具限制的情况下,在磷酸盐缓冲溶液中的形变程度随时间的变化曲线,验证离子浓度刺激方式导致其发生形态变化的能力。2、搭建光学测量平台,测量了半球形聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料在磷酸盐缓冲溶液中随时间延长导致形态变化、以及形态变化导致的焦距变化,并计算他们之间的相关性,验证离子浓度刺激导致球形水凝胶材料焦距变化的能力。3、采用三维打印技术,利用现有光敏感树脂材料,根据本研究对人工晶体的设计需求,三维打印出两种类型的个性化人工晶体模具,并通过光学显微技术和探针式表面轮廓仪,分别测量人工晶体模具不同部位的光滑程度,验证其用于制造人工晶体的可行性。4、采用聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料灌注技术,利用三维打印的个性化人工晶体模具,将材料灌注到模具中,待其凝固后再脱模,就可以直接获得透明且个性化制作的聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶人工晶体。5、采用光学显微镜、激光共聚焦显微镜等技术检测制作出的聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶人工晶体不同部位的表面形态和平滑程度,包括人工晶体光学部,人工晶体袢与光学部的结合处,以及人工晶体袢末端,验证所制造出的人工晶体的精准性。6、为了测试人工晶体在离子溶液中的稳定性,采用不同浓度的四水硝酸钙溶液浸泡人工晶体,再采用扫描电镜检测聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶人工晶体是否发生钙质沉积,是否影响其透明性,评估其在离子溶液中的稳定性。7、利用培养的人晶状体上皮细胞及视网膜色素上皮细胞与聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶薄片共培养,采用细胞生长曲线、TUNEL染色等方法观察共培养细胞的生物活性,离体检测聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶人工晶体的生物安全性。8、将聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶薄片在体植入新西兰兔眼,采用视网膜电图、HE染色、免疫荧光染色、ELISA等方法检测其在体生物功能性,重点监测聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料植入对视功能的影响、植入局部的炎症反应、和对细胞凋亡的影响。结果:1、聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料可以在磷酸盐缓冲溶液中发生形态变化,带边缘限制的空心圆柱状结构模具中的水凝胶块表现出明显的高度增加,置于空心圆柱模具中的水凝胶块的高度增加较少,而单纯的水凝胶立方块的高度增加最少。提示对于带边缘限制的空心圆柱状结构模具中的水凝胶块在膨胀过程中能产生明显的形态变化。2、碗状模具制造的半球形水凝胶透镜在磷酸盐缓冲溶液中可以发生明显膨胀,同时膨胀导致的厚度增加可以明显改变水凝胶透镜对光线的折射能力,其具有非常宽泛的焦距变化能力,随着厚度增加其焦距逐渐缩小（从35mm到10mm）,显示聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料具有制造可变焦人工晶体的潜力。3、采用三维打印技术制作出两种人工晶体模具,一种为双袢末端膨大设计,另一种为双细袢设计。在人工晶体光学部,模具表光光滑程度最高,在人工晶体袢部,模具同样表现出了较高的光滑性,在模具结合部,其表面光滑程度较差,但对人工晶体的制造无明显影响。4、两种模具的所制造的聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶人工晶体均具有良好的透明性,人工晶体表面光滑,其总体形态与模具具有良好的相符性,显示本研究通过三维打印的人工晶体模具可以制造出与设计预期相符的人工晶体。5、聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶人工晶体在四水硝酸钙溶液中具有较好的稳定性,将其浸泡在低浓度钙离子溶液（0.05-1.5mmol/L）中最长30天未见明显钙沉积,在高浓度钙离子溶液中（2-5mmol/L）则可见少量钙沉积,提示聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶人工晶体具有较好的表面稳定性。6、离体实验中,新制备的聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料会降低人晶体上皮细胞（hLECs）和视网膜色素上皮细胞（ARPE19）的细胞活率和增殖能力,该材料经过磷酸盐缓冲溶液预处理9天后,其细胞毒性作用显著下降,与对照组无显著性差异。7、在体实验中,聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料在植入兔眼后1周,眼前房IL-8和TNF-a水平显著升高,术后1月和3月兔眼前房IL-8和TNF-a显著下降,实验组与假手术组（未植入人工晶体）及对照组（860UV人工晶体植入）比未见统计学差异。其次,聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料植入后兔眼前房后3月,实验组眼组织细胞凋亡及f ERG均与假手术组及对照组比无显著统计学差异。聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料植入前房后会导致兔前房角和虹膜出现激活的呈阿米巴样的Iba1+新生巨噬细胞,但这和对照组没有统计学差异。结论:1、首次证实聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料是一种理想的用于制造可变焦人工晶体的新型材料,其对离子浓度刺激具有良好的响应性,可通过改变其形态及厚度达到改变其屈光度的作用。2、设计出―先三维打印个性化人工晶体模具,再采用聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料灌注制作人工晶体‖的关键技术,建立了三维打印人工晶体模具的技术流程,获得了个性化的人工晶体模具。3、利用个性化的三维打印人工晶体模具,将聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料加工成透明、光滑、精确的人工晶体,并且该新型人工晶体在离子溶液中具有良好的稳定性。4、预处理后的聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料与人晶体上皮细胞（hLECs）和视网膜色素上皮细胞（ARPE19）共培养时对细胞增殖活性无抑制作用,证明了其离体生物安全性。5、聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料在植入到新西兰兔眼内后对眼组织解剖结构和视觉功能均不会产生显著影响,提示聚丙烯酰胺-丙烯酸钠水凝胶材料也具备良好的在体生物功能性。