Исследование микроструктурных нарушений роговицы человека с помощью тестов на перелом

Oct 01, 2023

Том 13 научных докладов, номер статьи: 13876 (2023) Цитировать эту статью

109 доступов

Подробности о метриках

Прочность роговицы человека на излом является одним из важнейших параметров при операциях на роговице с использованием швов и разработке биоинженерных миметиков роговицы человека. В настоящей статье систематически изучались характеристики разрушения роговицы человека для оценки ее устойчивости к разрыву в режиме открытия (Режим-I) и режиме разрыва брюк (Режим-III). Эксперименты с разрывом выявили зависимость поведения перелома от размера надреза и его местоположения, созданного в образцах роговицы. Результаты показывают, что разрыв пластинок и вытягивание коллагеновых волокон являются механизмом разрушения брюк при тестировании на разрыв и режиме открытия соответственно. Экспериментальные результаты показали локализованное изменение поведения разрыва в режиме разрыва брюк и указали на возрастающее сопротивление разрыву от центра роговицы к периферии. В этой статье были продемонстрированы сложности оценки вязкости разрушения в режиме открытия и показано, что лимб слабее роговицы и склеры в отношении разрыва. Общие результаты настоящего исследования помогают в планировании экспериментов, чтобы понять прочность пораженных тканей, понять влияние места наложения швов и размещения донора, а также создать числовые модели для изучения параметров, влияющих на операцию по замене роговицы.

Нехватка донорских роговиц для удовлетворения растущих потребностей в трансплантации роговицы стимулировала поиск тканеинженерных суррогатов роговицы, которые могли бы имитировать здоровую роговицу. В физиологически здоровой роговице механические свойства играют важную роль в поддержании геометрии роговицы, прозрачности и функциональности кератоцитов1. Геометрия роговицы влияет на работу человеческого глаза, влияя на его остроту зрения. Понимание геометрической стабильности роговицы при глазных заболеваниях, таких как эктазия при кератоконусе2,3 и глазах после LASIK4,5, а также усиление микроструктуры после CXL6,7,8, требует знания механической жесткости роговицы. Таким образом, жесткость роговицы человека является наиболее широко изученным механическим свойством роговицы8,9,10,11,12,13.

С другой стороны, геометрическая стабильность роговицы при наличии нескольких швов, например, в случае процедуры сквозной кератопластики (ПК)14, зависит от прочности роговицы против швов. ПК широко известен как трансплантация роговицы, при которой прокусывание шва эквивалентно геометрическому дефекту, который снижает прочность роговицы в месте укуса. Вязкость разрушения является ключевым параметром, определяющим устойчивость любого материала к геометрическим дефектам, таким как отверстия и трещины15. Таким образом, вязкость разрушения роговицы человека представляет особый интерес при разработке тканеинженерной роговицы, чтобы сравнить ее прочность с швами. В нескольких отчетах показано использование тканеинженерной роговицы или рецеллюляризированной трупной роговицы. Однако им не хватает прочности роговицы для наложения швов, что затрудняет их применение у реальных пациентов16,17,18.

Хотя жесткость является хорошо документированным механическим свойством роговицы человека, ее свойства при разрушении полностью не выяснены. Тем не менее, сообщалось о многочисленных исследованиях характера переломов других биологических тканей, таких как плодные оболочки19,20, кожа21,22,23, жировая ткань24 и т. д., насколько известно авторам, только в одном исследовании25 сообщалось о времени- зависимая вязкость разрушения роговицы свиньи в режиме разрыва брюк (Режим-III). Кроме того, было показано, что тканеинженерные роговицы обладают достаточной прочностью удержания разрыва и швов для их использования на животных моделях. Однако для сравнительного анализа этих суррогатов роговицы в литературе не содержится никаких данных, касающихся нативной роговицы человека.

В физиологических условиях механическая анизотропия ткани роговицы при наличии перекусов швов демонстрирует сложный сценарий смешанной нагрузки (Режим-I и Режим III). Напряжения роговицы в месте прикуса шва являются сложными из-за комбинированного эффекта тянущих сил, создаваемых шовным материалом, и давления разрыва, создаваемого ВГД. Тяговая сила, создаваемая шовным материалом, представляет собой режим раскрытия, при котором две поверхности роговицы раздвигаются (режим I) под действием растягивающей силы швов. Однако одновременно растягивающая нагрузка на швы в присутствии ВГД создает эффект сдвига, вызывая разрыв роговицы вне плоскости, аналогичный разрыву брюк (режим III). Следовательно, важно изучить вязкость разрушения роговицы человека как в режиме разрыва брюк, так и в режиме открытия.