角膜愈合中的应力分布特征对胶原纤维重建的影响机制

The cornea is the transparent tissue at the front part of the eye, which is often injured physically. The transparency of normal cornea is mainly contributed by the collagen fibrils that are arranged in parallel in the corneal stroma. When the cornea is subject to injury, the fibrils are damaged in the wound. If the neocollagen fibrils regenerated non-parallelly, a scar would form after corneal healing, leading to permanent visual obstruction. The acute breach of fibril arrangement also affects the local stress distribution in the corneal tissue, which further changes chronically with healing. Previous studies have indicated that the mechanical environment has obvious influence on collagen fibril remodeling in soft tissue healing. However, the effect of the stress distribution characteristics on the arrangement morphology of collagen fibrils in corneal healing is unknown. In this study, we will develop animal models with corneal injury to observe the arrangement morphology of collagen fibrils in the wound acutely and chronically. In addition, we will create finite element model to estimate the stress distribution near the wound. Correlation analysis will be conducted to understand the effect of local stress distribution on the remodeling of collagen fibrils, aiming to investigate the mechanism of scar formation in corneal healing.

角膜是位于眼球最前端的一层透明组织，较易发生外伤。角膜基质层主要由平行排列的胶原纤维构成，它们整齐的排列形态决定了角膜的高透明性。当基质层发生损伤，胶原纤维被破坏，如果重建的胶原纤维排列紊乱，愈合后的组织可能形成显著瘢痕，造成永久性视力障碍。角膜组织的破坏必然会导致局部应力场的改变，并会伴随着伤口的愈合而持续变化。以往的研究表明力学环境对软组织的重建具有显著影响，但针对角膜愈合中伤口附近的应力特征对胶原纤维排列形态的影响机制尚未明确。在本项目中，申请人拟建立角膜损伤的动物模型，对愈合过程中胶原纤维形态的变化进行持续观察；同时建立对应的有限元模型，模拟伤口附近的应力分布。通过组织观察和仿真结果的相关性分析，研究角膜愈合过程中伤口附近的应力分布对胶原纤维重建形态的影响，为探明角膜瘢痕的产生机制提供理论依据。

眼结构复杂，组织脆弱，即使受到轻微损伤，也常常由于处理不当而导致严重的视力障碍，甚至是失明。而角膜是位于眼球最前端的一层透明组织，较易发生外伤。本基金研究角膜损伤在愈合过程中伤口附近的应力分布对胶原纤维重建形态和力学性能的影响。为了完成该目标，基金完成了主要内容包括：.（1）搭建眼冲击实验平台，制造眼外伤的动物模型，包括钝击伤、切割伤及针刺伤等；.（2）搭建具有压力反馈调节功能的眼内压体外模拟装置，结合数字相关技术（DIC）技术观察角膜在不同眼内压作用下的应力分布特征；.（3）利用透射电镜和DIC技术，观察角膜损伤后愈合过程中的显微结构和力学特征的连续变化，并进行相关性分析。. 上述研究取得了如下结果：.（1）利用平台提供的不同能量对离体和在体眼球进行冲击，得到了角膜及其他眼组织的在定量冲击能量下的损伤情况；.（2）提出的眼压体外模拟和数字相关技术（DIC）结合的测量技术，可获取全眼球角膜的应力分布状态的手段；通过对无损角膜和损伤角膜进行对照表征，表明该技术可以有效的识别损伤角膜的应力集中；.（3）发现角膜愈合中，内部胶原纤维的形态与周围的应力状态具有高度相关性，明确了胶原纤维的重建与其所处的应力状态相互影响。. 上述研究不仅为人体的损伤与防护提供一定的研究方法与思路，同时为探明角膜瘢痕的产生机制提供理论依据。