Механические и конечноэлементные модели кератопротезов роговицы глаза

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.

1. Федоров, С. Н. Кератопротезирование / С. Н. Федоров, З. И. Мороз, В. К. Зуев. — Москва : Медицина, 1982. — 144 с.

2. Keeler, R. Guillaume Pellier de Quengsy: a bold eye surgeon / R. Keeler, A. D. Singh, H. S. Dua // British Journal of Ophthalmology. — 2014. — Vol. 98 (5).—P. 576-578. DOI:10.1136/bjophthalmol-2014-305269

3. External Disease Panel. Preferred Practice Pattern® Guidelines. Corneal Ectasia / American Academy of Ophthalmology Cornea. — San Francisco: American Academy of Ophthalmology, 2019. — Vol. 126 (1). — P. 171215.

4. Belin, M. W. Suggested guidelines for reporting keratoprosthesis results / M. W. Belin, J. L. Guell, G. Grabner // National Center for Biotechnology Information. — 2016. — 35 (2). — Р. 143-144.

5. Charoenrook, V. Comparison of long-term results between osteo-odonto-keratoprosthesis and tibial bone keratoprosthesis / V. Charoenrook, R. Michael, M. F. de la Paz [et al.] // The Ocular Surface. — 2018. — No. 16. — Р. 259-264.

6. Khandekar, R. Impact of Cataract Surgery in Reducing Visual Impairment: A Review / R. Khandekar, A. Sudhan, B. K. Jain [et al.] // Middle East African Journal of Ophthalmology. — 2015. — Vol. 22 (1). — P. 80-85. DOI: 10.4103/0974-9233.148354

7. Sanchez Ferreiro, A. V. Keratoprosthesis in cornea and ocular surface diseases / A. V. Sanchez Ferreiro, L. Munoz Bellido // Archivos de la Sociedad Espanola de Oftalmolog^a (English Edition). — 2013. — Vol. 88 (8). — P. 327-328.

8. Cortina, M. S. Staged ocular fornix reconstruction for glaucoma drainage device under neoconjunctiva at the time of Boston type 1 Keratoprosthesis implantation / M. S. Cortina, F. I. Karas, Ch. Bouchard [et al.] // The Ocular Surface. — 2019. — Vol. 17 (2). —P. 336-340.

9. Park, J. Retroprosthetic membrane: A complication of keratoprosthesis with broad consequences / J. Park, P. Phrueksaudomchai, M. Soledad Cortina // The Ocular Surface. — 2020. — Vol. 18 (4). — P. 893-900.

10. Новацкий, В. Теория упругости / В. Новацкий. — Москва : Мир, 1975. — 872 с.

11. Бояршинов, С. В. Основы строительной механики / С. В. Бояршинов. — Москва : Машиностроение, 1973. —456с.

12. Belokon, A. V. Partitioned schemes of the finite-element method for dynamic problems of acoustoelectroelasticity / A. V. Belokon, V. A. Eremeyev, A. V. Nasedkin [et al.] // Journal of Applied Mathematics and Mechanics. — 2000. — Vol. 64 (3). —P. 367-377.

13. Belokon, A. V. New schemes for the finite-element dynamic analysis of piezoelectric devices / A. V. Belokon, A. V. Nasedkin, A. N. Solov’yev // Journal of Applied Mathematics and Mechanics. — 2002. — Vol. 66 (3). —P. 481-490.