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，青光眼的原發(fā)部位是視乳頭內的結締組織——篩板，但青光眼的發(fā)病機理尚未完全明確。究其病因，很大程度上歸因于兩個力學因素——眼內壓及其誘導的篩板變形：高眼內壓導致篩板結構與形態(tài)發(fā)生變化，進而擠壓穿過篩板的視覺神經，造成視覺神經損傷，產生不可逆的視覺損失。目前，控制眼內壓是控制青光眼發(fā)展的有效途徑。但技術的限制使目前無法實時原位觀測篩板。因此，如果能夠構建眼內壓作用下篩板變形及響應的力學模型，將有利于揭示青光眼發(fā)病機制、提高其臨床診治水平。

中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室（LNM）“生物及仿生材料力學”課題組研究員宋凡等圍繞青光眼視神經損傷機制，通過建立篩板力學模型開展研究工作，取得系列研究成果。

在生理條件下，篩板前、后分別承受眼內壓（IOP）與顱內壓（ICP），二者形成的壓差是造成篩板變形的關鍵力學因素。醫(yī)學臨床上對于IOP與ICP的關系尚存爭議，無確切關系式。目前，現有研究多采用分段模型表征二者的關系（圖1），但該關系式存在奇異性，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驗數據基礎上，研究人員提出修正關系式：ICP = 10erf（0.088×IOP），以描述IOP與ICP的關系。該修正關系式彌補已有關系式的缺陷，與臨床試驗更加吻合（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模型，理論計算結果與實驗結果相吻合（圖2）。通過分析篩板變形，研究發(fā)現：（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于篩孔形狀變化的臨床結果的緣由；（2）在篩板上下表面，中央區(qū)域孔口仍保存圓形，但邊緣區(qū)域孔口形狀變?yōu)闄E圓，該結果為實驗觀測結果提供理論解釋；（3）篩孔邊緣存在應力集中。上述研究結果進一步支持青光眼視神經損害的機械學說，揭示青光眼視神經損傷機制，為臨界杯盤比提供物理解釋（Acta Biomater. 2017，55：340-348）。

在前期研究基礎上，宋凡等在《國家科學評論》（National Science Review）發(fā)表論文，針對青光眼原發(fā)部位——篩板，分析篩板生物力學研究中的科學問題、研究現狀和發(fā)展機遇。分析篩板結構、性質及所處的力學微環(huán)境；介紹相關力學模型構建的研究進展，討論基于該力學模型獲得的高眼壓作用下篩板在不同尺度上的響應，包括篩板的整體變形、基質重構、細胞響應及分子機制（圖4）。

在已有研究基礎上，針對目前青光眼致病機制研究及其診斷、治療所面臨的挑戰(zhàn)，研究人員提出應重點關注的研究方向：構建力學模型，以準確反映視神經和毛細血管在高眼壓下的損傷演變；確定在杯盤比臨界點附近，視神經和毛細血管變形與損傷的關系；探索篩板變形中涉及的應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關系。

該研究提出建立篩板的多尺度生物力學模型，有利于進一步揭示青光眼發(fā)病機制，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基金、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）、國家重點研發(fā)計劃等的資助。

圖1.IOP與ICP的關系

圖2.篩板理論模型計算撓度w結果與實驗結果對比