1.1. Основные понятия об упруго-прочностных свойствах и их влияние на биомеханику роговицы

    Роговица и склера образуют единую опорную корнеосклеральную оболочку глаза, представляя собой два сопряженных сегмента с различным радиусом кривизны и отличными друг от друга биомеханическими свойствами [1, 3, 4, 6, 19]. Прозрачность и высокая преломляющая сила роговицы обеспечиваются благодаря ее регулярному строению. Основная часть роговицы – строма, сформирована параллельно расположенными коллагеновыми фибриллами, которые, в свою очередь, уложены в переплетающиеся пластины [138, 155, 169, 170, 237]. Напряженно -деформированное состояние ткани роговицы определяется, прежде всего, прочностными свойствами самих волокнистых структур, их архитектоникой, внутри- и межмолекулярными связями фибриллярных и других межуточных структур. Кроме того, важную роль в формировании биомеханического статуса роговицы играет ее общая архитектура (геометрическая форма, диаметр, толщина, радиусы кривизны).

    При построении биомеханических моделей, описывающих роговицу и включающих область ее сопряжения со склерой, важно учитывать достаточно большое число параметров, которые зачастую сложно оценить из-за гетерогенности, анизотропности и асимметричности роговицы. Требуется также учитывать воздействие на оболочки глаза внутриглазного давления (ВГД) и экстраокулярных мышц. Распределение механических напряжений в роговице во многом определяется свойствами других структур стенок глазного яблока, в том числе лимба и склеры. Склера, вследствие хаотического расположения фибрилл и волокон отличается по своим механическим свойствам от роговичной ткани.

    Изучение патогенеза ятрогенных эктазий, периферических дистрофий, кератоконуса и прогрессирующей миопии, в развитии которых большую роль играет повышенная растяжимость роговицы и склеры, требует углубления знаний о биомеханическом взаимодействии этих глазных структур [2, 13, 15, 23, 24, 26-28, 31, 32, 73, 76, 97]. Экспериментальные исследования свидетельствуют, что материал роговицы отличается биомеханической неоднородностью. Целый ряд работ посвящен прямому измерению основных упруго-прочностных свойств роговичной ткани в норме и даже при некоторых патологических состояниях [1, 3, 19, 55, 56, 136, 144, 217, 222]. Следует отметить, что даже прямое измерение механических параметров изолированной роговицы дает большой разброс показателей, обусловленный как отсутствием стандартных условий для таких исследований, так и нелинейными биомеханическими свойствами материала роговицы.

    Как показывают данные экспериментальных работ, значения модуля упругости существенно меняются в зависимости от диапазона нагрузок, приложенных к образцу роговицы, и могут различаться на 1-2 порядка. В работах представлено, что в пределах нагрузок от 2 до 4 кПа (что соответствует диапазону ВГД 15-30 мм рт.ст.) модуль упругости постоянен, но его величина резко возрастает при более высоком ВГД. При нагрузке, в 100 раз превышающей физиологическую, величина модуля упругости роговицы Е составляет 57 мПа, в то время как при нагрузке, соответствующей нижней границе нормального ВГД (10 мм рт.ст.), модуль упругости существенно ниже – 0,34-0,54 мПа [19, 269]. При давлении, находящемся в диапазоне от 25 мм рт.ст. (верхняя граница нормального ВГД) до 200-300 мм рт.ст., значения модуля упругости роговицы достигают 13,6±5,0 мПа. Результаты исследований свидетельствуют о неоднородности роговичной ткани, поскольку при меридиональном напряжении модуль Ю нга оказался выше в центре, а при радиальном напряжении – на периферии.

    Предел прочности целой роговицы, определяющийся в основном механическими свойствами ее стромы (вклад боуменовой мембраны и других структур роговицы практически не существенен), составляет 19,1±3,5 мПа, при этом передняя часть стромы на 25% прочнее, чем задняя [50, 222, 259]. В некоторых работах указывается на изменение механических характеристик роговицы при глазных заболеваниях. Так, обнаружено, что при кератоконусе модуль Юнга в центральной зоне роговицы снижается. Кроме того, изучение механических свойств роговицы изолированных глаз с использованием оригинальной методики, позволяющей проводить механические испытания роговично-склеральных колец, вырезанных из роговицы трупных глаз, показало, что в результате эксимерлазерной фотоабляции толщина оптической зоны роговицы снижается на 15-20%, что приводит к критическим изменениям механических свойств роговицы, в частности, к существенному снижению ее прочности [51, 52, 137, 154, 155].

    Необходимо подчеркнуть, что результаты механических испытаний образцов изолированной роговицы не могут полностью соответствовать реальным характеристикам в естественных условиях. Безусловно, наиболее информативные сведения о биомеханическом статусе роговицы м огут дать только прижизненные исследования. В качестве возможных подходов к опосредованному определению данных параметров использовали оптическую и голографическую интерферометрию, механическую спектроскопию, акустическую биометрию и метод фотоупругости. Возможно, наиболее перспективным для последующего использования в клинике является метод фотоупругости, с помощью которого было показано, что фотоупругие свойства роговицы характерно изменяются при различных офтальмопатологиях, причем перераспределение напряжений в роговице может рассматриваться как интегральный показатель изменений в биомеханической системе глаза в целом [102].