喷气试验中角膜生物力学效应影响因素的有限元分析

目的:研究喷气试验中眼内压、喷气压力以及巩膜材料对角膜生物力学效应的影响。方法:基于全眼三维模型及轴对称的喷气模型进行有限元分析,根据角膜前表面位移云图结果,结合曲面拟合等方法,分析角膜形态学参数变化,定量分析眼内压、喷气压力以及巩膜材料对角膜生物力学效应的影响。结果:当喷气压力峰值以及巩膜刚度一定,改变眼内压时,眼内压为24 mmHg相对于12 mmHg时的最大凹陷角膜顶端位移减少13%,角膜前表面反向曲率半径增加7.3%;眼内压以及巩膜刚度一定,改变喷气压力时,喷气压力峰值为60 kPa相对于20 kPa时的最大凹陷角膜顶端位移增加2.1倍,角膜前表面反向曲率半径减小0.68倍;眼内压以及喷气压力峰值一定,巩膜刚度为基准3倍相对于1/3倍时的最大凹陷角膜顶端位移减少26.8%。结论:角膜形变是角膜生物力学特性的反映,是由眼内压、角膜与巩膜材料以及外力作用共同决定,当其中任一参数发生变化,则影响角膜的生物力学效应。     

基于整体角膜膨胀实验对兔眼角膜参数的确定

目的角膜一般被视为非线性弹性材料,用线弹性模型刻画角膜的力学特性难免存在一定误差。本研究基于体外兔眼角膜膨胀实验,探索用分段的线弹性模型描述角膜非线性弹性行为的可行性。方法选取5只新鲜兔眼,制备附带巩膜环的角膜试件,将试件固定在自制的加压装置上,用微量注射泵给试件加压以模拟角膜随内压力的增加发生形变的过程,同时利用显微镜获取相应压力下角膜的正侧面轮廓图像。预调后,记录加载过程中压力与角膜顶点及轮廓信息。分别选取角膜内压力为7mm Hg、14 mm Hg和21 mm Hg时的角膜正侧面轮廓图像,建立具有不均匀厚度的轴对称角膜几何模型,将角膜视为各向同性不可压缩材料,在7~14 mm Hg、14~21 mm Hg和21~28 mm Hg三个眼内压范围内视角膜为线弹性材料,通过有限元方法分段模拟体外角膜膨胀实验,将模拟结果与膨胀实验角膜外轮廓线位移结果比对,确定角膜在上述压力范围内的弹性模量。结果获得的兔眼角膜在7~14 mm Hg、14~21 mm Hg和21~28 mm Hg的弹性模量分别为(0.73±0.16)MPa、(2.20±0.43)MPa和(3.03±0.37)MPa。此结果与文献结果基本一致。结论用分段的线弹性模型近似描述角膜非线性弹性行为的方法是可行的。     

膨胀试验测定猪眼角膜生物力学参数的研究

目的 通过膨胀试验测定猪眼角膜的非线性应力/应变关系,研究猪眼角膜弹性模量和眼内压之间的关系。方法 选取新鲜猪眼11只,剪下附带4~5mm宽度巩膜环的角膜,采取胶水黏附联合机械固定方式将猪眼角膜固定于自制的施压装置,缓慢逐步增加液压,液压范围：25mmH2O(1.8375mmHg) ~ 1000mmH2O (73.5mmHg),激光位移计记录角膜前表面顶点的前突位移量,根据板壳理论推导公式计算猪眼角膜的生物力学参数,包括应力、应变及弹性模量。结果 猪眼角膜前突位移量同眼内压的关系及应力/应变均呈指数函数关系,弹性模量与眼内压呈线性关系。结论 膨胀法测量猪眼角膜的弹性模量具有较好的重复性和精确性,此方法所测得的弹性模量可用于后期屈光手术模型的建立、人工角膜与角膜接触镜设计及其它方面的研究。     

活性猪眼角膜的各向异性生物力学行为研究

以猪眼角膜为研究对象,应用实验分析和各向异性弹性理论,探讨动物角膜在双向载荷作用下的生物力学行为.在Zwick-Z010型小吨位双向电子万能试验机上,利用所开发的平口微型双轴夹具,分别对片状角膜进行单、双轴拉伸和循环加载实验,确定材料的弹性常数和强度、刚度等特性.研究表明,材料具有典型的各项异性生物力学行为,在角膜的长轴和短轴方向呈现出不同的应力和变形特征.沿短轴方向角膜具有更高的黏弹性和黏塑性,其延展率也要大于长轴方向,而沿长轴方向则有更高的弹性模量和拉伸极限强度,材料的破坏为多种变形相互作用所致.     

基于快、慢速加载单轴拉伸数据识别的角膜生物力学特性比较

目的 比较基于快、慢速加载单轴拉伸数据确定的角膜生物力学特性参数。方法 选取15只健康成年兔的角膜进行平均加载速率为0.16、0.02 mm/s单轴拉伸实验,分别获得应力-应变以及应力松弛数据;分别利用黏超弹性模型、1阶Ogden模型和2阶Prony级数模型对加卸载迟滞环曲线、应力-应变曲线、应力松弛曲线进行分析。基于黏超弹性模型拟合快速加卸载迟滞环曲线确定的参数集记为G_vh。拟合慢速加载的应力-应变、应力松弛数据的材料参数集记为G_OP。利用相关性分析比较G_vh与G_OP之间参数的相关性。结果 对快速加卸载迟滞环数据、慢速加载的应力-应变数据与应力松弛数据的拟合优度R²都大于0.95。G_vh与G_OP中6个参数中5个(μ,A₁,A₂,τ₁,τ₂)差异明显(P<0.05),并且两参数组中Ogden模型参数呈正相关。结论 基于快、慢速加载的单轴拉伸数...     

基于超黏弹性的牙周膜本构模型构建及模拟

为了准确描述牙周膜的生物力学行为,基于大变形连续介质力学理论及不可压缩各向同性假设,以人体牙周膜平面剪切和应力松弛实验数据为基础,利用有限元软件ABAQUS的数据拟合功能,构建牙周膜的超黏弹性本构模型及参数。随后,通过对5组牙周膜平面剪切实验过程的模拟,验证牙周膜超黏弹性模型的正确性。最后,通过有限元计算对比分析牙周膜线弹性模型与超黏弹性模型对载荷的力学响应。结果表明在牙根位移量为0～0.06 mm时,牙周膜可近似用线弹性模型表示;当位移量大于0.06 mm,两种模型的差异显著,超黏弹性模型更加符合牙周膜的材料特性。研究结果为牙周膜提供一种实用性强的超黏弹性模型,为牙齿正畸的生物力学研究和治疗方案的精确设计提供理论依据。     

角巩膜生物力学2021年度研究进展

角巩膜为眼外壁组织,在维持眼球形状和屈光功能方面均发挥着重要作用。作为典型的黏弹性组织,角巩膜力学性能的变化会引起相应的眼部疾病,如近视和圆锥角膜等。临床上,可通过人为改变角巩膜组织的几何结构(如屈光手术、角膜接触镜的佩戴、角膜胶原交联术)改变生物力学行为,治疗一些与屈光有关的眼科疾病。本文通过对与角巩膜相关疾病及临床治疗方法中的生物力学研究进展进行综述,理出这些临床诊疗手段中仍需要解决的问题,以期为进一步临床诊疗策略的完善和新的潜在治疗手段的开发提供参考。     

基于快速加卸载的单轴拉伸识别屈光术后兔角膜的生物力学特性

为了认识行角膜切削手术后兔眼角膜生物力学特性随修复时间如何变化,本研究选取21只健康成年兔,左眼作为实验眼,右眼作为对照眼,进行对比实验。首先,对所有兔的左眼采用板层刀移除角膜前表面部分组织（原角膜厚度的30%～50%）,作为模拟角膜屈光手术的动物模型。其次,将实验兔分别饲养1个月、3个月、6个月后处死,利用其体外角膜制作条状试样,进行加卸载速率平均约为0.16 mm/s的单轴拉伸实验;最后,利用黏—超弹性本构模型,对加卸载数据进行拟合。结果显示,模拟手术后1个月、3个月,实验眼与对照眼角膜的黏弹性参数差异具有统计学意义;术后3个月,实验眼角膜与对照眼角膜,在应变水平分别为0.02、0.05时,其切向模量差异具有统计学意义;术后6个月组的实验眼角膜与对照眼角膜,生物力学参数差异无统计学意义。上述结果表明,与对照眼相比,实验眼角膜生物力学特性随术后时间有所变化,术后3个月实验眼与对照眼之间角膜的切向模量的比值增大,随后减小;这为基于临床上获取的快速测试数据认识角膜屈光手术术后角膜生物力学特性奠定了前期基础。     

激光虹膜切开术对角膜内皮细胞所受切应力影响的数值研究

目的研究激光周边虹膜切开术(laser peripheral iridoctomy,LPI)对患者眼内房水流动和角膜内皮细胞所受流体切应力的影响。方法参照文献中的人眼几何数据,在CAD软件中建立三维完整眼球几何模型,并结合有限元软件数值模拟LPI术后房水流动状态以及角膜内皮细胞所受切应力的变化,并对比LPI手术前后虹膜上不同激光开孔位置时角膜内表面切应力的数值结果。结果虹膜上激光孔的位置越靠近瞳孔中心,角膜受到的切应力越小。在激光孔离瞳孔轴距离分别为4.0、4.5、5.0、5.5 mm时,对应角膜内皮受到的最大切应力分别为16.5、25.8、57.0、179.8 m Pa。激光孔在3、6点方位时的切应力最大值比开孔在12点方位时的切应力最大值(56.95 m Pa)分别高出13.7%和4.2%。结论 LPI会改变患者眼内房水流动和角膜内皮细胞所受流体切应力。合适的开孔位置能降低角膜内皮细胞受到的切应力,减少LPI术后患者大泡角膜病变的风险。     

ORK引导的非球面个性化切削与传统准分子激光原位角膜磨镶术术前后角膜像差分析

目的 研究ORK引导的非球面个性化切削手术前后的角膜像差变化特点,并与传统的准分子激光原位角膜磨镶术(LASIK)进行比较.方法 选取2008至2009年在广州市第一人民医院激光中心就诊的平均等效球镜度、散光、角膜像差没有明显差异的近视患者400例(800眼),随机分为2组:A组200例(400眼)接受ORK引导的非球面个性化切削手术,B组200例(400眼)接受传统LASIK手术.进行2组患者术前和术后6个月裸眼视力、等效球镜、散光和角膜像差的比较.结果 术后6个月,2组患者裸眼视力差异无统计学意义(P＞0.05).术后6个月,瞳孔直径6 mm时,2组患者术后等效球镜度和散光度均减少,但2组间比较及变化值组间比较差异无统计学意义(均P＞0.05);术后6个月2组患者角膜总高阶像差均方根值(RMS)、三阶像差均方根值(RMS3)、四阶像差均方根值(RMS4)、球差和慧差均增加,但A组的增幅小于B组[RMS:(0.17±0.14)μm比(0.27±0.12)μm;RMS3:(0.03±0.12)μm比(0.10±0.16)μm;RMS4:(0.21±0.12)μm比(0.26±0.18)μm;球差:(0.17±0.13)μm比(0.27±0.19)μm;慧差:(0.01±0.12)μm比(0.11±0.17)μm,均P＜0.05].结论 ORK引导的非球面个性化切削手术能相对减少术后角膜高阶像差的增加,尤其是球差的增幅相对较小.     

LASIK手术剩余基质床厚度安全保留值的数值模拟

目的 分析准分子激光原位角膜磨镶术（laser-assisted in situ keratomileusis, LASIK）手术不同剩余基质床厚度（residual stromal bed thickness,RSBT）在不同眼压（intraocular pressure, IOP）下对角膜几何变形和应力变化的影响,并评估3种RSBT保留值（250、280、300 μm）的安全性。方法 利用ABAQUS有限元软件建立正常角膜与术后不同RSBT角膜的有限元模型,设置合适的加载与边界条件,计算得出相应的位移与应力。结果 RSBT=250 μm的术后角膜在IOP=2.66 kPa作用下和正常角膜在IOP=5.32 kPa作用下产生的顶点位移基本相等。RSBT=280 μm处于圆锥角膜发病低危区,而RSBT=250 μm已经进入高危区;RSBT为280～300 μm之间某值时,应力分布规律与正常角膜基本一致。RSBT=300 μm时,角膜基质层的张应力强度丧失约40%。结论 RSBT=300 μm为LASIK手术比较合理的最低保留值,RSBT=250 μm是高风险值,在RSBT=330～340 μm时,对大部分患者来说,LASIK手术足够安全。     

基于超声压痕技术的兔眼角膜生物力学特性

目的利用超声压痕技术探索兔眼角膜的生物力学特性。方法选取7月龄新西兰白兔眼球7只,制作完整角膜试样并固定于人工前房上。用微量注射泵给人工前房注水改变前房内的压力,并用压力传感器测量;在不同前房压力状态下,利用超声压痕设备在角膜顶点位置进行压痕实验,获得力-位移曲线。研究角膜力学参数(弹性模量、滞回量等)与前房压力的关系。结果由角膜压痕实验所得的力-位移曲线呈现非线性特点。前房内压力越大,角膜的力-位移曲线越陡峭。兔眼角膜的弹性模量随前房压力升高而增大,在前房压力为7～45 mm Hg(1 mm Hg=0. 133 k Pa)范围内,其数值范围为0. 30～1. 55 MPa。随前房压力增大,角膜滞回量呈现线性上升趋势。结论基于超声压痕技术获得的兔眼角膜弹性模量随前房压力呈线性增大,滞回量等角膜黏性特性参数与前房压力也相关。     

基于ANSYS/LS-DYNA的神经电极植入脑组织过程数值仿真

目的建立神经电极-脑组织数值仿真模型,研究神经电极在植入过程中对脑组织产生的植入损伤。方法采用超黏弹性模型描述脑组织材料,基于单元删除法和最大主应变失效准则模拟组织破坏与分离,并通过平均等效应变量化组织植入损伤,考察神经电极楔形角、植入速度以及电极刚度对脑组织急性损伤的影响规律。结果150°楔角所产生应变值较90°增加37.1%;100μm/s慢速植入时电极植入路径上组织应变值较大(57%),500μm/s较高速植入时植入路径上组织应变明显变小(25%);而电极刚度对组织损伤影响不明显,电极刚度从165 GPa下降至5 k Pa时,组织应变仅增加1%~2%。结论数值仿真模型可为神经电极与植入参数设计提供参考,从而减少组织植入损伤,提高电极工作寿命,满足长期临床应用。     

兔眼角膜生物力学特性的年龄相关性

目的 利用兔眼角膜条的单轴拉伸实验数据,研究角膜生物力学特性与年龄的相关性。 方法 分别取3月龄和7~8月龄兔眼角膜条,实施单轴拉伸实验,获得实验数据;用指数模型和幂模型对应力 应变数据进行分析;用黏弹性力学模型对应力松弛数据进行分析。结果 兔眼角膜条呈现非线性黏弹性特征。在实验误差允许的范围内,不同月龄兔眼角膜条的非线性应力-应变关系差别不明显,7~8月龄兔眼角膜的切线模量略偏大,但其应力衰减得明显快。不同的拉伸速率对3月龄兔眼角膜条非线性应力-应变关系的影响不明显,但快速拉伸后的角膜条应力衰减明显变快。结论 兔眼角膜随月龄增加会轻微变硬,而角膜的松弛特性随月龄变化明显。     

改性玻璃离子水门汀应力松弛蠕变实验

文题释义：黏弹性力学：连续介质力学的重要分支,又称黏弹性理论,研究黏弹性物质的力学行为、本构关系及其破坏规律,以及黏弹性体在外力和其他因素作用下的变形和应力分布。聚合物、混凝土、金属、岩石、土壤、石油、肌肉、血液和骨骼等,在一定条件下既具有弹性性质又具有黏性性质,这种兼具弹性和黏性性质的材料称为黏弹性材料,含黏弹性固体与黏弹性流体,又可分为线性黏弹性体和非线性黏弹性体。线性黏弹性体的两种极端情况即为胡克体(遵循胡克定律)和牛顿流体(遵循牛顿粘性定律)。 生物力学：是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支,其研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等),从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。 物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题,依研究对象的不同可分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。 背景：以往对改性玻璃离子水门汀的力学性能研究多以压缩、弯曲实验居多,关于玻璃离子水门汀加入锶羟基磷灰石后的应力松弛、蠕变实验研究鲜有报道。 目的：对比分析传统玻璃离子水门汀、复合树脂釉质粘接剂、改性玻璃离子水门汀的应力松弛、蠕变特性。 方法：按质量比15%向玻璃离子水门汀中加入掺锶羟基磷灰石,制备改性玻璃离子水门汀。制作改性玻璃离子水门汀、复合树脂釉质粘接剂与传统玻璃离子水门汀试样,3组各取10个试样进行应力松弛实验,另取10个试样进行蠕变实验。 结果与结论：①应力松弛实验7 200 s时,传统玻璃离子水门汀组应力下降了1.18 MPa,复合树脂釉质粘接剂组应力下降了1.39 MPa,掺锶羟基磷灰石复合玻璃离子水门汀组应力下降了1.38 MPa;传统玻璃离子水门汀组应力下降量小于掺锶羟基磷灰石复合玻璃离子水门汀组、复合树脂釉质粘接剂组(P < 0.05),掺锶羟基磷灰石复合玻璃离子水门汀组和复合树脂釉质粘接剂组应力下降量无差异(P > 0.05)。②蠕变实验7 200 s时,传统玻璃离子水门汀组应变上升了0.24%,复合树脂釉质粘接剂组应变上升了0.33%,掺锶羟基磷灰石复合玻璃离子水门汀组应变上升了0.32%;传统玻璃离子水门汀组应变上升量小于掺锶羟基磷灰石复合玻璃离子水门汀组、复合树脂釉质粘接剂组(P < 0.05),掺锶羟基磷灰石复合玻璃离子水门汀组试和复合树脂釉质粘接剂组应变上升量无差异(P > 0.05)。③结果表明,15%掺锶羟基磷灰石提高和改善了玻璃离子水门汀的黏弹特性,有利于其与黏结物体的黏结,有利于提高黏结强度。 ORCID: 0000-0003-1024-5733(丁洁) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

眼球固定器在眼内肿瘤X-线放射外科治疗中的应用

目的:眼内肿瘤X-线放射外科定位受眼球旋转的影响,常规定位方法误差极大,眼肌缝扎痛苦较大.本文探讨X-线放射外科治疗眼内肿瘤眼球无创固定方法、CT定位方法、精度及扫描方法.材料与方法:应用研制的微真空角膜接触眼球固定器固定眼球进行眼内肿瘤CT定位,并进行验证扫描,研究CT定位的精度及扫描方法.结果:利用微真空角膜接触眼球固定器进行眼内肿瘤CT定位精度为0.81 mm,最大误差为1.18mm.重复扫描筛板在三维方向上误差均小于1mm.利用此方法对14例眼内肿瘤进行CT定位,肿瘤边界显示清晰,固定方法无创,局部反应轻微,效果满意.结论:利用微真空角膜接触眼球固定器进行眼内肿瘤X-线放射外科定位精度高,无创,解决了眼球旋转的问题,效果满意.     

基于原子力显微镜技术研究不同激活态下肌节超微结构与压弹性

目的搭建研究不同激活态下昆虫飞行肌纤维的超微结构与力学特性的系统,并以此开展近生理环境下的心肌生物力学研究,进而推动对心肌结构、力学特征和生理功能间关系的认识,为心肌病的基础研究和临床治疗提供更多的线索。方法采用轻敲模式的原子力显微镜技术研究僵直态、松弛态和活化态下昆虫飞行肌肌原纤维的超微精细结构;采用纳米压痕技术研究不同生理状态下肌纤维的定点弹性特性。结果肌原纤维在僵直态、松弛态和3种活化态的肌节长度分别为:(2.10±0.05)(、3.10±0.10)(、2.50±0.15)μm(2 mmol/L Ca2+)(,2.60±0.25)μm(5 mmol/L Ca2+)和(2.55±0.15)μm(10 mmol/L Ca2+),A带长度始终保持在1.50μm左右,而I带的长度则有较大的变化(0.7～1.6μm);力学实验发现,在同一生理状态,肌原纤维的弹性参数的大小满足Z线>M线>重叠区>I带;在不同活化状态下,钙离子浓度变化对Z线、M线和I带的压弹性影响的程度很接近。结论 5 mmol/L的Ca2+浓度是合适的肌纤维活化浓度,肌节长度的分布符合肌动蛋白与肌球蛋白在重叠区相对滑移的力学和空间结构模型;AFM是肌纤维超微结构与力学特性高分辨研究的潜力工具。     

青年与老年人脊柱黄韧带黏弹性实验研究

目的比较青年与老年人脊柱黄韧带的应力松弛和蠕变黏弹性力学性质,为黄韧带退变的黏弹性力学机制提供依据。方法 20例老年腰椎退变病人黄韧带标本为老年退变组,20例青年腰椎外伤病人黄韧带为青年组,黄韧带标本均取自L4～L5间黄韧带。以1%/s的应变增加速度和0.5 MPa/s的应力增加速度分别对试样进行应力松弛和蠕变实验,实验温度设定为(36.5±0.5)℃。设定试验时间为7 200 s,采集90个应力松弛和蠕变数据。以统计分析和归一化的方法处理实验数据。结果青年组黄韧带7 200 s应力下降了1.42 MPa,老年组黄韧带7 200 s应力下降了1.91 MPa。青年组黄韧带7 200 s应变上升了3.39%,老年组黄韧带7 200 s应变上升了2.07%,两组7 200 s应力均下降,应变上升数据均有统计学意义(P<0.05)。应力松弛曲线是以对数关系变化的,蠕变曲线是以指数关系变化的。结论老年退变组黄韧带和青年组黄韧带相比,7 200 s应力松弛量和蠕变量降低,黏弹性力学性能发生改变。     

带有弹性外壳的胸腔人工肺设计

这种新型胸腔人工肺(TAL)是用于急性呼吸衰竭治疗和作为肺移植过渡的呼吸辅助。TAL的气体传输介质是200μm外径的聚丙烯中空纤维。其上带有微孔,纤维被捆成2m2的纤维束,置放在BioSpan○R)的弹性外壳内。外壳厚度约0.02"。此装置的静力顺应性为2.0ml/mmHg,在血液速率为4.0L/min时跨越整个装置的压降为9mmHg。采用牛血在流量稳定的条件下进行此装置的体外气体传输功能试验,并利用这些数据进行非容积的气体传输系数计算。根据上述的计算系数预计在标准人体生理条件下血流速率为4.0L/min时氧传输速率为209ml/min。动物体内试验中将此装置…     

粒子跟踪微流变学技术在生物力学领域中的应用

作为检测生物软材料和活细胞黏弹性特性的一种新方法,粒子跟踪微流变学主要应用于细胞运动、胚胎发育、核纤层蛋白病等生物力学研究中,与以往传统的细胞力学检测手段相比具有很多优势。其利用视频显微镜检测包埋于介质中探针的布朗热运动,将探针运动轨迹转换平均平方位移,实时获取介质的时间依赖性黏弹性模量和蠕变柔量等参数。本文主要对粒子跟踪微流变学技术的基本原理及其在生物力学领域的应用进行了综述。