角膜为生物软组织材料,在眼的屈光系统中占有重要的地位,其生物力学性能是维持角膜形态的基础,角膜的生物力学性能一旦发生变化,将会影响到眼球整体的屈光能力。同时,角膜的生物力学性能对角膜疾病如圆锥角膜、角膜外伤等的诊断与治疗及对屈光手术的设计、角膜接触镜的设计等都具有重要的参考价值。由于角膜的生物力学性能对角膜的特殊意义,研究人员需更加准确地测量角膜的生物力学性质及建立精准的角膜仿真计算模型。本文以猪角膜为研究对象,通过膨胀试验及有限元模拟的方法研究猪角膜的生物力学性能。1、主要研究工作如下:(1)搭建离体角膜膨胀试验系统,完善猪眼球整体膨胀试验方法,消除试验过程中巩膜位移对角膜位移的影响。采用眼球整体膨胀试验和角膜膨胀试验对猪角膜的力学性质进行离体测量,获得每种试验中角膜顶点位移—眼内压之间的关系。采用板壳理论,根据角膜顶点位移—眼内压之间的关系分别计算出两组试验中角膜的弹性模量及角膜的应变,并得到角膜的应力-应变曲线,将两组试验中得到的角膜弹性阶段的力学性质进行对比分析。(2)基于角膜微观结构,建立了考虑角膜胶原纤维分布的猪眼球整体膨胀试验的有限元计算模型。通过扫描电镜对猪角膜的板层结构进行观察并对角膜中的主要元素进行分析,通过透射电子显微镜观测不同眼内压作用下胶原纤维的形态。选用ABAQUS软件中与其结构相适用的Holzapfel本构模型,对已有的Holzapfel本构模型参数进行了合理调整,模拟了整体眼球试验中测得的角膜顶点位移-眼内压关系。得到眼内压在15.28-30.17mm Hg时,与本文猪眼球整体膨胀试验更为匹配的Holzapfel本构模型参数。以此为基础建立有限元模型,分析了猪角膜受到不同眼内压作用时所表现出来的力学性能,并讨论了Holzapfel本构模型中三个主要参数其对角膜力学性能的影响。2、主要结论如下:(1)通过两组膨胀实验得出:在15.28-30.17mm Hg时,猪眼球整体膨胀试验获得的弹性模量比角膜膨胀试验获得的数值小;猪眼球整体膨胀试验获得的应变比角膜膨胀试验获得的数值大;(2)通过扫描电子显微镜观测到角膜平行与角膜表面的板层之间为平行排列;通过透射电子扫描电镜观测:在0mm Hg时,纤维呈弯曲形态;在30mm Hg时,纤维被拉伸且局部有断裂。(3)在15.28-30.17mm Hg时,模拟角膜受到不同眼内压时角膜的应力及位移状态。眼内压越高,角膜的应力及位移越大,但对应力及位移的分布影响较小。(4)计算Holzapfel本构模型中三个主要参数其对角膜力学性能的影响,重点分析了沿纤维主方向,纤维的分散程度不同时对角膜的应力分布及位移的影响。胶原纤维沿角膜主方向的分散程度?,影响角膜中应力的分布方向,但并不影响角膜位移分布的方向。当角膜眼内压相同时,纤维分散程度越大,角膜的应力分布越均匀,角膜顶点位移越小。以上通过猪整体眼球膨胀试验方法得到了角膜弹性阶段的力学性能、对角膜结构和主要化学元素的观测以及建立考虑角膜微观结构的有限元模型,为临床上角膜疾病的治疗及手术提供理论依据和技术指导。