Соловьев Аркадий Николаевич - заведующий кафедрой «Теоретическая и прикладная механика» , доктор физико-математических наук, профессор, ResearcherIDH-7906-2016, ScopusID: 55389991900.
344003, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Глушко Надежда Ивановна - ассистент кафедры Теоретическая и прикладная механика.
344003 Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Епихин Александр Николаевич - заведующий кафедрой Офтальмология, кандидат медицинских наук, доцент
44000, Ростов-на-Дону, пр. Ворошиловский, 105, лит. О
Свейн Майкл - профессор Стоматологической школы Сиднейского университета, C24-Westmead Hospital The University of Sydney NSW 2006
Лесняк Ольга Николаевна - доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика, кандидат технических наук.
344003, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Иванов Андрей Евгеньевич - магистрант кафедры Теоретическая и прикладная механика.
344003, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Introduction. When developing ocular prostheses, a number of problems arise, one of which is the construction of the connection between the hard optical part and the soft corneal tissue. Their Young's modules can differ by three orders of magnitude. In this case, the problem arises of creating an intermediate layer, possibly with gradient properties, whose purpose is to exclude injury to soft biological tissues. Two types of keratoprostheses are considered: the first type with a support plate and the second type with an intermediate functionally gradient layer. The stress-strain state of the prosthesis is calculated for the first type. For the second type, analytical and finite element modeling of the interaction of a cylindrical optical prosthesis, an intermediate inhomogeneous layer, and the cornea was carried out in the elastic media. Two versions are considered: discounting the curvature (circular plate or plate) and with account of the curvature (spherical dome or shell). The work objective is to study the stress-strain state of the keraprosthesis and cornea in the contact area.
Materials and Methods. Mathematical models of the structures under consideration are the boundary value problems of the linear elasticity theory. The analytical solution is constructed for a simplified model in the form of a composite circular plate. Spatial three-dimensional problems and axisymmetric problems are solved by the finite element method. Finite element modeling of the considered structures was performed in the CAE package ANSYS and ACELAN. Results. CAD models of keratoprostheses with conditions of fixing and loading are constructed. The load acting on the keraprosthesis under the effect of intraocular pressure was determined. The stress-strain state of the keratoprosthesis and cornea elements was calculated. Special attention was paid to the area of its contact with the keratoprosthesis.
Discussion and Conclusions. The results of calculating the axial displacements and mechanical stresses in the first type of keratoprosthesis show that the selected geometric parameters meet the kinematic and strength requirements. The proposed models of the deformed state of soft biological tissues provide assessing their injury when using a keratoprosthesis of the second type, as well as selecting the geometric parameters and gradient properties of the intermediate layer.
Введение. При разработке глазных протезов возникает ряд проблем, одна из которых — конструирование соединения между жесткой оптической частью и мягкой тканью роговицы. Их модули Юнга могут отличаться на три порядка. При этом возникает задача создания промежуточного слоя, возможно с градиентными свойствами, назначение которого — исключить травмирование мягких биологических тканей. Рассматривается два типа кератопротеза: с опорной пластиной и с промежуточным функционально-градиентным слоем. Для первого типа рассчитано напряженно-деформированное состояние. Для второго проведено аналитическое и конечноэлементное моделирование взаимодействия цилиндрического оптического протеза, промежуточного неоднородного слоя и роговицы в упругой среде. Рассмотрены два варианта: без учета кривизны (круглая плита или пластина) и с учетом кривизны (сферический купол или оболочка). Цель работы — исследование напряженно-деформированного состояния керапротеза и роговицы в области контакта.
Материалы и методы. Математические модели рассматриваемых конструкций — это краевые задачи линейной теории упругости. Аналитическое решение построено для упрощенной модели в виде составной круговой пластины. Пространственные трехмерные задачи и задачи в осесимметричной постановке решаются методом конечных элементов. Конечноэлементное моделирование рассматриваемых конструкций проводилось в CAE-пакете ANSYS и ACELAN.
Результаты исследования. Построены CAD-модели кератопротезов с условиями закрепления и нагружения. Установлена нагрузка на керапротез под действием внутреннего глазного давления. Рассчитано напряженно-деформированное состояние элементов кератопротеза и роговицы. Особое внимание уделено окрестности ее контакта с кератопротезом.
Обсуждение и заключения. Результаты расчета осевых смещений и механических напряжений в кератопротезе первого типа показывают, что выбранные для него геометрические параметры удовлетворяют кинематическим и прочностным требованиям. Предложенные в работе модели деформированного состояния мягких биологических тканей позволяют оценить их травмирование при использовании кератопротеза второго типа, а также выбрать геометрические параметры и градиентные свойства промежуточного слоя.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.