近视在世界范围内是一个日益严重的问题。现在美国和欧洲的人口是50年前的两倍。在东亚70%到90%的青少年和年轻人是近视。据估计到2020年，全球大约有25亿人可能会受到近视的影响。眼镜和隐形眼镜是简单的解决方案，更持久的是角膜屈光手术。但是虽然视力矫正手术成功率较高，但它是一种侵入（有创）性的手术，受到手术后并发症的影响，而且在极少数情况下是永久性视力丧失。此外，激光辅助视力矫正手术如激光原位角膜手术(LASIK)和光折变角膜切除术(PRK)仍在使用消融技术，这种技术可能会变薄，在某些情况下会削弱角膜。
治疗前后的角膜图，结合虚拟视觉，模拟诱导屈光力变化的影响。图片：Sinisa Vukelic/Columbia Engineering
哥伦比亚大学工程研究员Sinisa Vukelic开发了一种新的无创技术来永久矫正视力，这在临床前模型中显示出了很大的希望。使用飞秒振荡器，一种超快的激光，在高重复率下提供极低能量的脉冲，用于选择性和局部改变角膜组织的生物化学和生物力学性质。该技术改变了组织的宏观几何结构，是非手术的，比屈光手术的副作用和局限性更少。例如，眼角膜薄、眼睛干涩和其他异常的患者不能进行屈光手术。发表在《自然光子学》杂志上，该研究可用于治疗近视、远视、散光和不规则散光。
机械工程学系的一名学科讲师Vukelic说：我们的研究是第一个使用这种激光输出方案来治疗角膜曲率的无创改变或其他临床问题的治疗。使用飞秒振荡器来改变胶原组织的生化和生物力学性能，而不会引起细胞损伤和组织破坏。该技术允许足够的能量在集中的集中体积内诱导低密度的等离子体，但是没有输送足够的能量来对治疗区域内的组织造成损害。已经在多照片成像中看到了低密度等离子体，被认为是一种不理想的副作用。我们能够将这种副作用转化为一种可行的治疗方法，以增强胶原组织的力学性能。
Vukelic方法的关键组成部分是，低密度等离子体的诱导会导致角膜内的水分子电离。这种电离产生了活性氧(一种不稳定的分子，它含有氧气，很容易与细胞中的其他分子发生反应)，进而与胶原纤维相互作用形成化学键或交联。这些交联的选择性引入引起了治疗角膜组织的力学性质的改变。当他的技术应用于角膜组织时，交联改变了治疗区域的胶原蛋白的性质，这最终导致了角膜整体的宏观结构的改变。治疗方法是在角膜组织中避免光学损伤的同时，使角膜内的靶分子电离。因为这个过程是光化学的，所以它不会破坏组织，而诱导变化是稳定的。
如果仔细地调整这些变化，可以研究角膜曲率，从而改变眼睛的屈光能力。这是一个根本性的偏离主流的超快激光治疗，目前应用于研究和临床设置，并依赖于目标材料的光学分解和随后的空化气泡形成。屈光手术已经存在多年,尽管这是一项成熟的技术,该领域一直在寻找一个可行的、微创替代了很长一段时间。Vukelic的下一代模式显示了巨大的希望。这可能是治疗更大的全球人口和应对近视大流行的一大进步。Vukelic的团队目前正在构建一个临床原型，并计划在今年年底开始临床试验。
他还希望开发一种方法来预测角膜作为激光辐照的功能，例如如果一个小圆或一个椭圆被处理，角膜可能会变形。如果研究人员知道角膜的作用，他们就能够个性化治疗——他们可以扫描病人的角膜，然后使用Vukelic的算法来改善病人的视力。尤其令人兴奋的是，技术并不局限于眼部媒体——它可以用于其他胶原蛋白丰富的组织。我们还与Gerard Ateshian教授的实验室合作治疗早期骨关节炎，初步结果非常令人鼓舞。无创技术有可能打开治疗或修复胶原组织的途径，而不会造成组织损伤。
博科园-科学科普｜参考期刊：Nature Photonics｜来自：哥伦比亚大学工程与应用科学学院
