高眼压导致筛板结构重塑及力学特性改变的研究

Glaucoma is one of the leading causes of irreversible blindness worldwide, and compliance change of the lamina cribrosa due to the pathological elevated of the intraocular pressure has been recognized as the main risk factor of the impaired axonal transport. However, the heterogeneity and porosity of the lamina cribrosa make the research on the relationship between the biomechanical properties and the structure change difficult. In this project, we will research the effect of the change in the structure and the mechanical properties of lamina cribrosa on the damage of the optic nerve. The main contents of the project are as follows. 1) The minimum representative volume element of lamina cribrosa is obtained using the micromechanical models to simulate indentation tests of the two-phase composites. Basing on the indentation test of the lamina cribrosa and dimensional analysis, we propose a inverse method to determine the mechanical properties of lamina cribrosa and optic nerve. The effectiveness of the method is verified by the thickness measurement of the lamina cribrosa in vivo under the different intraocular pressure. 2) The animal models with a chronic intraocular pressure elevation are constructed and the mechanical properties of the lamina cribrosa at different time of high intraocular pressure are obtained. At the same time, we obtained the ex vivo structure of the lamina cribrosa using laser scanning confocal microscopy and in vivo structure of the lamina cribrosa using optical coherence tomography. 3) The structure changes of the lamina cribrosa are obtained after the three-dimensional models of the lamina cribrosa are reconstructed. And the relationship between the structure remodeling and the change of the mechanical properties of the lamina cribrosa will be established. The deform of the optic nerve can be calculated using the finite element method, which will help understand the mechanical mechanism of the optic nerve damage.

青光眼是全球第一大不可修复致盲眼病，病理性眼压增高导致的筛板结构顺应性改变是造成视神经轴浆运输障碍的主要因素，筛板的非均质性和多孔特点限制了它生物力学特性与结构改变的关联性研究。本研究拟回答筛板的结构与力学特性在高眼压作用下的改变对视神经损伤的力学作用。具体工作包括：1）建立微力学模型模拟两相复合材料压痕实验，确定筛板代表性体积的最小尺寸；基于动物筛板的原子力显微镜压痕实验结果及量纲分析原理，提出一种反方法确定筛板和视神经的力学特性；利用不同眼压下在体动物筛板厚度测试结果验证方法的有效性；2）建立慢性高眼压动物模型，在不同时间点进行压痕实验获取筛板的力学特性，利用激光共聚焦显微镜及光学相干断层扫描仪获得筛板离体、在体断层图像； 3）三维重建筛板结构，获得筛板结构改变规律；分析筛板结构与力学特性改变之间的关系，并利用有限元方法模拟视神经变形，为视神经损伤的力学机制研究奠定基础。

青光眼是全球第一大不可修复致盲眼病，慢性高眼压作用将导致筛板力学特性及结构发生改变，从而压迫视神经，导致视神经轴浆运输发生障碍，引起视神经损伤，因此研究筛板的结构与力学特性随高眼压作用时间的改变及其对视神经损伤的作用有重要意义。.首先，本项目研究了筛板与视神经的力学特性随高眼压作用时间的变化。基于两相复合材料的压痕实验，提出一种方法确定筛板区软组织的非线性力学特性；并验证了方法的有效性；获取正常动物筛板区软组织非线性力学特性及粘弹性特性；接下来，利用图像处理方法及原子力显微镜压痕技术，提出一种方法区分筛板与视神经的力学特性；建立慢性高眼压动物模型，获得高眼压作用不同时间筛板与视神经力学特性的变化，研究结果显示，随着慢性高眼压作用时间的增加，筛板与视神经的弹性模量明显减小。.其次，利用免疫荧光染色技术及激光共聚焦显微镜、透射电镜等检测手段，研究慢性高眼压作用时间与筛板区软组织微结构的变化，研究发现，慢性高眼压作用下，筛板区软组织的结构发生了明显改变，筛板孔隙率在高眼压作用2个月后明显降低；接下来，研究了高眼压作用下视神经轴浆运输的改变；同时，利用电生理技术，获取急性高眼压作用对视网膜功能性改变的影响，研究结果显示急性高眼压下作用下视神经轴浆运输与视网膜光学功能之间可能存在一定的关系。.最后，基于视乳头在体断层图像及筛板的离体断层图像，三维重建包含视神经和筛板的猫眼视乳头模型，利用有限元方法获得视神经变形与应力，分析筛板变形与视神经损伤之间的关系。基于临床测试数据及解剖数据，建立人眼有限元模型，分析视乳头结构与力学特性对视网膜及筛板变形的影响，确定了影响视乳头变形的关键几何因素。.本项目获得了慢性高眼压作用下筛板与视神经结构和力学特性的改变，分析了视乳头结构和力学特性改变与视神经损伤之间的关系，为青光眼性视神经损伤力学机制的研究及青光眼病程预测提供基础。