Caracterización de las propiedades viscoelásticas de la esclera de ojos y simulación de su comportamiento biomecánico

Abstract

Existen diversas aplicaciones de la Ingeniería Mecánica y la Ciencia de los Materiales orientadas a áreas como la minería, aviación o medicina. Entre estas se incluye también a la biomecánica, la cual combina conocimientos de caracterización de materiales, simulación computacional y fabricación de prototipos, con el fin de lograr una comprensión profunda de los mecanismos que ocurren dentro de especímenes biológicos desde un punto de vista estructural y energético. En el caso específico de la oftalmología, con el propósito de obtener nuevas tecnologías en el desarrollo de implantes o procedimientos clínicos para el ojo humano, se hace de mucha utilidad la constante optimización y refinamiento de los métodos usados para obtener las propiedades biomecánicas de las partes del ojo. Entre otros, se requiere realizar un análisis numérico y cualitativo de la morfología ocular haciendo uso de la configuración de diversos ensayos mecánicos existentes para tejidos blandos, con el fin de poder comparar diversos valores de esfuerzos y deformaciones frente a distintas condiciones de trabajo del ojo evaluado. En esa perspectiva, el objetivo principal del presente trabajo fue caracterizar las propiedades viscoelásticas de la esclera de ojos de cerdo para simular su comportamiento biomecánico mediante métodos computacionales. Para alcanzar dicho objetivo, se estableció la siguiente metodología: i) En primer lugar, se tuvieron que definir los detalles de la procedencia de los ojos de cerdo a ensayar, así como la justificación de su uso y los cuidados que se tuvieron que tener en cuenta para poder conservar sus propiedades mecánicas hasta el momento de la ejecución de los ensayos. ii) Luego, se definió un protocolo a seguir para la realización de los ensayos mecánicos; empezando con el procedimiento de corte para dividir las escleras de ojos de cerdo identificando cada zona de la superficie ocular seccionada y elaborar sus correspondientes probetas. También se definieron las características de los equipos usados para los ensayos mecánicos, así como la secuencia seguida por los sujetadores de probetas, cuya geometría fue modificada para su empleo en trabajos con tejidos pequeños. iii) Adicionalmente, se elaboró un procedimiento a seguir para obtener las curvas medias y el error estadístico de los datos tomados a partir de los resultados de los ensayos mecánicos. Asimismo, se propusieron ajustes de curvas para poder extraer las propiedades visco-elásticas. iv) Finalmente, se analizaron las variaciones de las propiedades encontradas desde un punto de vista biomecánico y microestructural; asimismo, se complementó el modelo computacional ocular hiper-elástico de Ahmed con las propiedades viscoelásticas obtenidas comparando los efectos de la adición de dichas propiedades sobre los resultados de esfuerzos y deformaciones de la superficie ocular. Se encontró que las diferentes propiedades visco-elásticas de las diversas zonas de la esclera se deben presumiblemente a diferentes orientaciones y agrupaciones de fibras de colágeno, repercutiendo en una deformación máxima de 0.341 mm en la zona superior cercana a la dirección nasal del globo ocular sometido a 15 mmHg de presión interna aplicada durante 10000 s, lo cual ocasionaría la forma geoide y cuneiforme del ojo encontrada en los especímenes ensayados. Así mismo, dichas diferencias microestructurales de la esclera también repercutieron a que se obtuvieran diferentes deformaciones tanto en el centro de la córnea y la zona más cercana a la dirección nasal, siendo estas de 8% y 14.8% respectivamente.