青光眼被形象地稱為“無聲的視力盜賊”（silent thief of sight）。已有研究證實(shí)，青光眼的原發(fā)部位是視乳頭內(nèi)的結(jié)締組織——篩板，但青光眼的發(fā)病機(jī)理尚未完全明確。究其病因，很大程度上歸因于兩個力學(xué)因素——眼內(nèi)壓及其誘導(dǎo)的篩板變形：高眼內(nèi)壓導(dǎo)致篩板結(jié)構(gòu)與形態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而擠壓穿過篩板的視覺神經(jīng)，造成視覺神經(jīng)損傷，產(chǎn)生不可逆的視覺損失。目前，控制眼內(nèi)壓是控制青光眼發(fā)展的有效途徑。但技術(shù)的限制使目前無法實(shí)時原位觀測篩板。因此，如果能夠構(gòu)建眼內(nèi)壓作用下篩板變形及響應(yīng)的力學(xué)模型，將有利于揭示青光眼發(fā)病機(jī)制、提高其臨床診治水平。

中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LNM）“生物及仿生材料力學(xué)”課題組研究員宋凡等圍繞青光眼視神經(jīng)損傷機(jī)制，通過建立篩板力學(xué)模型開展研究工作，取得系列研究成果。

在生理?xiàng)l件下，篩板前、后分別承受眼內(nèi)壓（IOP）與顱內(nèi)壓（ICP），二者形成的壓差是造成篩板變形的關(guān)鍵力學(xué)因素。醫(yī)學(xué)臨床上對于IOP與ICP的關(guān)系尚存爭議，無確切關(guān)系式。目前，現(xiàn)有研究多采用分段模型表征二者的關(guān)系（圖1），但該關(guān)系式存在奇異性，暗含ICP變化率不連續(xù)等與生理規(guī)律不符的特性。在分析前期研究與臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究人員提出修正關(guān)系式：ICP = 10erf（0.088×IOP），以描述IOP與ICP的關(guān)系。該修正關(guān)系式彌補(bǔ)已有關(guān)系式的缺陷，與臨床試驗(yàn)更加吻合（Theor. Appl. Mec. Lett. 2016，6：148-150）。

研究人員采用考慮剪切變形的Reissner型平板理論，建立篩板變形的力學(xué)模型，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合（圖2）。通過分析篩板變形，研究發(fā)現(xiàn)：（1）在橫截面上，篩孔均變形成為扭曲的“喇叭”狀，解釋了此前提出的關(guān)于篩孔形狀變化的臨床結(jié)果的緣由；（2）在篩板上下表面，中央?yún)^(qū)域孔口仍保存圓形，但邊緣區(qū)域孔口形狀變?yōu)闄E圓，該結(jié)果為實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果提供理論解釋；（3）篩孔邊緣存在應(yīng)力集中。上述研究結(jié)果進(jìn)一步支持青光眼視神經(jīng)損害的機(jī)械學(xué)說，揭示青光眼視神經(jīng)損傷機(jī)制，為臨界杯盤比提供物理解釋（Acta Biomater. 2017，55：340-348）。

在前期研究基礎(chǔ)上，宋凡等在《國家科學(xué)評論》（National Science Review）發(fā)表論文，針對青光眼原發(fā)部位——篩板，分析篩板生物力學(xué)研究中的科學(xué)問題、研究現(xiàn)狀和發(fā)展機(jī)遇。分析篩板結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及所處的力學(xué)微環(huán)境；介紹相關(guān)力學(xué)模型構(gòu)建的研究進(jìn)展，討論基于該力學(xué)模型獲得的高眼壓作用下篩板在不同尺度上的響應(yīng)，包括篩板的整體變形、基質(zhì)重構(gòu)、細(xì)胞響應(yīng)及分子機(jī)制（圖4）。

在已有研究基礎(chǔ)上，針對目前青光眼致病機(jī)制研究及其診斷、治療所面臨的挑戰(zhàn)，研究人員提出應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的研究方向：構(gòu)建力學(xué)模型，以準(zhǔn)確反映視神經(jīng)和毛細(xì)血管在高眼壓下的損傷演變；確定在杯盤比臨界點(diǎn)附近，視神經(jīng)和毛細(xì)血管變形與損傷的關(guān)系；探索篩板變形中涉及的應(yīng)力集中問題與流固耦合問題，確定篩板的各向異性粘彈性本構(gòu)關(guān)系。

該研究提出建立篩板的多尺度生物力學(xué)模型，有利于進(jìn)一步揭示青光眼發(fā)病機(jī)制，提高其治療、診斷水平。（Natl. Sci. Rev，2020，7：1277-1279）。

博士田晗菁（已畢業(yè)）（Theor. Appl. Mec. Lett. 2016；Acta Biomater. 2017）、助理研究員李龍（Natl. Sci. Rev，2020）為上述研究論文的第一作者，宋凡為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的資助。

圖1.IOP與ICP的關(guān)系

圖2.篩板理論模型計(jì)算撓度w結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比