Современные методы экспериментальной оценки биомеханических свойств роговицы
https://doi.org/10.25789/YMJ.2024.86.17
Аннотация
В обзоре представлены описание методов и результаты различных экспериментальных исследований биомеханических свойств роговицы: методика растяжения образцов, способ индентации, а также атомно-силовая микроскопия. В качестве «источников» образцов рассмотрены роговицы экспериментальных животных и человека (в частности, донорских глаз и материала, полученного в результате кератопластики). Селективная оценка отдельных структур роговицы с помощью классических механических тестов на растяжение в известной степени лимитирована из-за достаточно малой толщины этих структур и, как следствие, сложностей фиксации образца. В реальной практике перспективным остается использование более адаптированных для проведения подобных исследований индентации и атомно-силового микроскопа, с одной стороны, исключающих необходимость механической фиксации образца, а с другой – обеспечивающих возможность исследования различных участков и поверхностей последнего.
При поддержке: Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (грант № 23-74-10113, https://rscf.ru/project/23-74-10113/)
Об авторах
С. Э. Аветисов
НИИ глазных болезней им. М.М. Краснова; Первый МГМУ им. И.М. Сеченова
Россия
Россия
Аветисов Сергей Эдуардович – д.м.н., проф., акад. РАН, научн. руковод. НИИ глазных болезней им. М.М. Краснова, зав. кафедрой Первого МГМУ им. И.М. Сеченова
А. К. Дзамихова
НИИ глазных болезней им. М.М. Краснова
Россия
Россия
ДзамиховА Асият Касумовна – аспирант
А. В. Шитикова
Первый МГМУ им. И.М. Сеченова
Россия
Россия
Шитикова Алина Викторовна – ассистент кафедры
Ю. М. Ефремов
Ин-т регенеративной медицины Первого МГМУ
Россия
Россия
Ефремов Юрий Михайлович – к.б.н., зав. Отделом
П. С. Тимашев
Ин-т регенеративной медицины Первый МГМУ им. И.М. Сеченова
Россия
Россия
Тимашев Петр Сергеевич – д.х.н., проф., научн. руковод.
Список литературы
1. Аветисов, Э. С. Близорукость. М.: Медицина,1986. 239 с.
2. Аветисов Э.С. Близорукость. 2-е изд. / Э.С. Аветисов М.: Медицина, 1999. 288 с.
3. Аветисов, Э. С. Трехфакторная теория близорукости и ее прогрессирования / Близорукость. Патогенез, профилактика прогрессирования и осложнений: материалы международ. симпоз. Москва, 1990. С.9-15.
4. Антонюк В.Д., Кузнецова Т.С. Исследование биомеханических свойств роговицы на приборе CORVIS ST (Oculus, Германия) у пациентов с миопией и миопическим астигматизмом / Офтальмохирургия. 2020. No. 4. 20 – 28 c.
5. Иомдина Е.Н., Бауэр С.М., Котляр К.Е. Биомеханика глаза: теоретические аспекты и клинические приложения / Москва: Реальное Время; 2015.
6. Плескова С.Н. Атомно-силовая микроскопия в биологических и медицинских исследованиях: Учебное пособие / Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект». 2011. Р:184 с.
7. Сравнительная оценка биомеханических характеристик ацеллюлярного дермального матрикса для герниопластики / К.И. Мелконян, К.И. Попандопуло, С.Б. Базлов [и др.] // Кубанский научный медицинский вестник. 2022. №29(5). – C:94-107. doi.org/10.25207/1608-6228-2022-29-5-94-107
8. Экспериментальные исследования биомеханических свойств роговицы / С.Э. Аветисов, Г.А. Осипян, А.К. Абукеримова и др. // Вестник офтальмологии. 2022. №138(3). С.124-131. DOI10.17116/oftalma2022138031124.
9. A comparison of biomechanical properties between human and porcine cornea / Y. Zeng, J. Yang, K. Huang, Z. Lee, X. Lee // J Biomech. 2001. No. 34(4). Р: 533-7. doi: 10.1016/s0021-9290(00)00219-0
10. A magnetically actuated, optically sensed tensile testing method for mechanical characterization of soft biological tissues / L. Rosalia, A. Hallou, L. Cochrane, T. Savin //sci Adv. 2023. No.13;9(2):eade2522. doi: 10.1126/sciadv.ade2522.
11. Binnig G., Quate C.F., Gerber C. Atomic force microscope // Phys Rev Lett. 1986. No.3;56(9). Р:930-933. doi: 10.1103/PhysRevLett.56.930.
12. Biomechanical Characterization of Human Soft Tissues Using Indentation and Tensile Testing / M. Griffin, Y. Premakumar, A. Seifalian // J Vis Exp. 2016. No.13;(118):54872. doi: 10.3791/54872.
13. Biomechanics of the anterior human corneal tissue investigated with Atomic Force Microscopy / M. Lombardo, G. Lombardo, G. Carbone, M.P. De Santo, R. Barberi, S. Serrao // Investigative Ophthalmology & Visual Science, published online. 2012. No.53(2). Р:1050-1057.
14. Buch H. Prevalence and causes of visual impairment according to World Health Organization and United States criteria in an aged, urban Scandinavian population The Copenhagen City Eye Study // Ophthalmology. 2001. No.108(12). Р.2347-2357. doi: 10.1016/s0161-6420(01)00823-5
15. Corneal Biomechanical Properties in Varying Severities of Myopia / M.R. Sedaghat, Н. Momeni-Moghaddam, А. Azimi [et al.] // Front Bioeng Biotechnol. 2021. No. 21(8):595330. doi:10.3389/fbioe.2020.595330.
16. Compliance profile of the human cornea as measured by atomic force microscopy / Last J, Sara MТ, Croasdale СR, Russell P, Murphy CJ. // Micron. 2012. No. 43(12). Р:1293-8. doi.org/10.1016/j.micron.2012.02.014].
17. Danielsen C.C. Tensile mechanical and creep properties of Descemet's membrane and lens capsule // Exp Eye Res. 2004. No. 79(3). P:343-50. doi.org/10.1016/j.exer.2004.05.014
18. Determination of elastic moduli of thin layers of soft material using the atomic force microscope / E.K. Dimitriadis, F. Horkay, J. Maresca, B. Kachar, R.S. Chadwick // Biophys J. 2002. No. 82(5). Р:2798-810. doi: 10.1016/S0006-3495(02)75620-8.
19. Determining the mechanical properties of human corneal basement membranes with atomic force microscopy / J.A. Last, S.J. Liliensiek, P.F. Nealey, C.J. Murphy // Journal of Structural Biology. 2009. No.167. Р:19-24. doi.org/10.1016/j.jsb.2009.03.012
20. Dias J.M, Ziebarth N.M. Anterior and posterior corneal stroma elasticity assessed using nanoindentation // Exp Eye Res. 2013. No.115. Р:41-46. doi.org/10.1016/j.exer.2013.06.004
21. Electromechanical probe and automated indentation maps are sensitive techniques in assessing early degenerated human articular cartilage /s. Sim, A. Chevrier, M. Garon [et al.] // J Orthop Res. 2017. No.35(4). P:858-867. doi: 10.1002/jor.23330.
22. Epidemiologic Study of Ocular Refraction among Schoolchildren in Taiwan in 1995 / L. Lin, Y. Shih, C. Tsai, [et al] // Optometry and Vision Science. 1999. No. 76(5). Р:275-281. doi:/10.1097/00006324-199905000-00013
23. Fisher R.F. Elastic constants of the human lens capsule // Physiol. 1969. No. 201. P:1-19. doi.org/10.1113/physiol.19.9.sp008739
24. Foster, C.S., Yamamoto, G.K. Ocular rigidity in keratoconus // American Journal of Ophthalmology. 1978. No.86. Р:802-806
25. Fung Y.C. Biomechanics. 10.1007/978-1-4757-2257-4. doi:10.1007/978-1-4757-2257-4
26. Ganesan P, Wildsoet C. Pharmaceutical intervention for myopia control // Expert Rev Ophthalmol. 2010. No.5(6). Р:759-787. doi:10.1586/ eop.10.67
27. Global Prevalence of Myopia and High Myopia and Temporal Trends from 2000 through 2050 / B.A. Holden, T.R. Fricke, D.A. Wilson [et al.] // Ophthalmology. 2016. No.123. Р:1036-1042. DOI: 10.1016/j.ophtha.2016.01.006
28. Grading cartilage damage with diffuse reflectance spectroscopy: Optical markers and mechanical properties / N.R. Rovnyagina, G.S. Budylin, P.V. Dyakonov, Y.M. Efremov [et al.] // J Biophotonics. 2023. No.16(3):e202200149. doi: 10.1002/jbio.202200149.
29. Hawkes P.W., Spence J.C. Atomic Force Microscopy in the Life Sciences //science of Microscopy. 2007. No.10.1007/978-0-387-49762-4. P:1025–1069. doi:10.1007/978-0-387-49762-4_16
30. Indentation versus tensile measurements of Young's modulus for soft biological tissues / C.T. McKee, J.A. Last, P.russell, C.J. Murphy // Tissue Eng Part B Rev. 2011. No.7(3). P:155-64. doi: 10.1089/ten.TEB.2010.0520.
31. International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA) A cost-effective microindentation system for soft material characterization / W. Zhang, X. Dong [et al.] // 2015. P:825–830. doi:10.1109/icma.2015.7237592
32. S. The prevalence rates of refractive errors among children, adolescents, and adults in Germany // Clinical Ophthalmology. 2008. No.601. doi.org/10.2147/opth.s2836
33. Keratoconus: biomechanics ex vivo / R. Lohmüller, D. Böhringer, P.C. Maier, A.K. Ross [et al.] // Klin Monbl Augenheilkd. 2023. No. 240(6). P:774-778. doi: 10.1055/a-2062-3633
34. Kontomaris S.V., Stylianou A. Atomic force microscopy for university students: applications in biomaterials // European Journal of Physics. 2017. No. 38(3);033003. doi:10.1088/1361-6404/aa5cd6
35. Lavanya Devi A.L., Nongthomba U., Bobji M.S. Quantitative characterization of adhesion and stiffness of corneal lens of Drosophila melanogaster using atomic force microscopy // J Mech Behav Biomed Mater. 2016. No.53. Р:161-173.
36. Nanoscale topography of the corneal epithelial basement membrane and Descemet’s membrane of the human / G.A. Abrams, S.S. Schaus, S.L. Goodman, P.F. Nealey, C.J. Murphy // Cornea. 2000. No.19. Р:57–64. doi.org/10.1097/00003226-200001000-00012].
37. New locus for autosomal dominant high myopia maps to the long arm of chromosome / P. Paluru, S.M. Ronan, E. Heon, M. Devoto, Wildenberg [et al.] // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 2003. No. 44. Р:1830–1836. doi: 10.1167/iovs.02-0697
38. Nguyen B.A., Roberts C.J., Reilly M.A. Biomechanical Impact of the Sclera on Corneal Deformation Response to an Air-Puff: A Finite-Element Study // Front Bioeng Biotechnol. 2019. No.10(6). Р:210. doi: 10.3389/fbioe.2018.00210.
39. Novel parameter of corneal biomechanics that differentiate normals from glaucoma / R. Lee, R.T. Chang, I.Y. Wong [et al.] // J. Glaucoma. 2016b. No. 25. P.603-609. doi: 10.1097/IJG.0000000000000284
40. Mechanical properties of anterior lens capsule assessed with AFM and nanoindenter in relation to human aging, pseudoexfoliation syndrome, and trypan blue staining / Y.M. Efremov, N.A. Bakhchieva, B.S. Shavkuta [et al.] // J Mech Behav Biomed Mater. 2020. No. 112:104081. doi: 10.1016/j.jmbbm.2020.104081.
41. Microindentation test for assessing the mechanical properties of cartilaginous tissues / X. Li, Y.H. An, Y.D. Wu // J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2007. No. 80(1). Р:25-31. doi: 10.1002/jbm.b.30564.
42. Microindentation for in vivo measurement of bone tissue mechanical properties in humans / A. Diez-Perez, R. Güerri, X. Nogues [et al.] // J Bone Miner Res. 2010. No. 25(8). Р:1877-85. doi: 10.1002/jbmr.73.
43. Oyen M.L. Nanoindentation of Biological and Biomimetic Materials<span></span>, aop(aop). 2012. P:0–0. doi:10.1111/j.1747-1567.2011.00716.x
44. Prevalence and associated factors of myopia in high-school students in Beijing / L.J. Wu, Q.S. You, J.L. Duan [et al.] // PLoS ONE. 2015. No.10: e0120764. doi: 10.1371/journal.pone.0120764
45. Probing Micromechanical Properties of the Extracellular Matrix of Soft Tissues by Atomic Force Microscopy / I. Jorba, J.J. Uriarte, N. R. Campillo, Farré, D. Navajas // J Cell Physiol. 2017. No. 232(1). P:19-26. doi: 10.1002/ jcp.25420
46. Sicard D., Fredenburgh L.E., Tschumperlin D.J. Measured pulmonary arterial tissue stiffness is highly sensitive to AFM indenter dimensions // J Mech Behav Biomed Mater. 2017. No.74. Р:118-127. doi: 10.1016/j.jmbbm.2017.05.039.
47. Soden P.D., Kershaw I. Tensile testing of connective tissues // Med Biol Eng. 1974. No.12(4). Р:510-8. doi: 10.1007/BF02478609.
48. Softening Effects in Biological Tissues and NiTi Knitwear during Cyclic Loading / Y.F. Yasenchuk, E.S. Marchenko, S.V. Gunter [et al.] // Materials (Basel). 2021. No.21;14(21):6256. doi: 10.3390/ma14216256.
49. Standardized tensile testing of soft tissue using a 3D printed clamping system / M. Scholze, S. Safavi, K.C. Li, B. Ondruschka [et al.] // HardwareX. 2020. No. 21;8:e00159. doi:10.1016/j.ohx.2020.e00159.
50. Tensile biomechanical properties and constitutive parameters of human corneal stroma extracted by SMILE procedure / Y. Xiang, M. Shen, C. Xue [et al.] // J Mech Behav Biomed Mater. 2018. No.85. Р:102-108. doi: 10.1016/j.jmbbm.2018.05.042.
51. Use of Nanoindentation in Determination of Regional Biomechanical Properties of Rabbit Cornea After UVA Cross-Linking / X. Zheng, Y. Xin, C. Wang [et al.] // Invest Ophthalmol Vis Sci. 2023. No. 3;64(13). Р:26. doi:10.1167/iovs.64.13.26.
52. Vellara H.R., Patel D.V. Biomechanical properties of the keratoconic cornea: a review / Clin Exp Optom. 2015. No. 98(1). Р:31-8. doi: 10.1111/cxo.12211.
53. Wollensak G., Iomdina E. Long-term biomechanical properties of rabbit cornea after photodynamic collagen crosslinking / Acta Ophthalmol. 2009. No. 87(1). Р:48-51. doi: 10.1111/j.1755-3768.2008.01190.x.
Рецензия
Для цитирования:
Аветисов С.Э., Дзамихова А.К., Шитикова А.В., Ефремов Ю.М., Тимашев П.С. Современные методы экспериментальной оценки биомеханических свойств роговицы. Якутский медицинский журнал. 2024;(2):70-75. https://doi.org/10.25789/YMJ.2024.86.17
For citation:
Avetisov S.E., Dzamikhova A.K., Shitikova A.V., Efremov Yu.M., Timashev P.S. Modern methods of experimental evaluation of biomechanical properties. Yakut Medical Journal. 2024;(2):70-75. https://doi.org/10.25789/YMJ.2024.86.17
Просмотров:
29
Послать статью по эл. почте 