综述：多物理场连续介质力学模型在青光眼研究中的进展：机遇与开放挑战

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Advancing glaucoma research with multiphysics continuum mechanics modelling: Opportunities and open challenges.

本综述系统阐述了基于连续介质力学的机理模型在青光眼研究中的新兴作用，指出其能通过描述眼内流体动力学、传质传热等基本物理现象，弥补纯数据驱动模型（如AI）在机制解释上的不足，为青光眼引流装置（GDD）、微创青光眼手术（MIGS）、治疗性接触镜、激光周边虹膜切开术（LPI）及可降解药物释放眼内植入物等当前挑战提供机理见解和优化设计平台，有望推动个体化青光眼诊疗策略的发展。

　　

青光眼是全球范围内不可逆性失明的主要原因，其核心病理特征之一是眼内压（IOP）失衡，这通常由房水流出通路受阻引起。在青光眼研究领域，人工智能（AI）和数据驱动模型在药物筛选、靶点识别和递送优化方面取得了显著进展，但这些模型往往缺乏对潜在物理机制的深入理解。基于物理的机理模型，特别是那些建立在连续介质力学基础上的模型，正通过求解描述质量和动量守恒的微分方程，为理解青光眼相关的眼内流体动力学、组织生物力学等基本物理过程提供了强大的补充工具。

青光眼研究中的机理连续物理模型通用趋势：从CFD到综合多物理场集成

计算流体力学（CFD）的应用极大地增进了我们对眼前房和玻璃体腔内流场的认识。早期研究多侧重于孤立的流体域模拟，例如仅关注眼前房而忽略玻璃体，且常未考虑周围眼组织的力学反馈。然而，青光眼的病理生理学要求采用多物理场建模方法，包括房水、玻璃体与周围超弹性组织之间的流固耦合（FSI）。文献中报道的研究涵盖了从眼前房房水流动的一般性描述，到利用光学相干断层扫描（OCT）等成像技术获得的高保真几何模型对小梁网和施莱姆氏管等排水系统进行详细模拟。这些模型揭示了在病理条件下（如房角狭窄、排水通道阻塞），压力场和流速模式会发生改变。

除了纯粹的流体动力学描述，将CFD与其他物理现象耦合能显著扩展其应用范围。例如，CFD与固体力学的耦合（即FSI）可用于研究房水流动与小梁网、施莱姆氏管刚度之间的相互作用以理解IOP调节机制，或模拟气动眼压计引起的角膜变形。CFD与传热耦合可用于研究体位改变引起的房水对流运动；与物质传输耦合则可用于描述眼内药物递送机制，如评估从眼内透镜或植入物的药物释放动力学。尽管已有这些应用，当前模型仍常包含各向同性的物理属性、均匀的组织属性或理想化的几何形状等简化假设，这限制了其在真实场景中的适用性。未来的发展方向是集成更复杂的多物理场框架，并结合患者特异性几何和材料数据，以增强模型的预测能力和临床相关性。

青光眼研究的当前挑战：机理连续物理模型能做什么？

青光眼引流装置（GDD）

GDD是通过手术植入的分流装置，旨在通过将房水从前房引流至外部贮液泡来降低IOP。CFD已在GDD的原型设计、优化和临床前分析中发挥作用，可用于预测装置内的流动行为、压力分布，并评估潜在并发症，如内皮细胞损伤（ECD）。例如，有研究利用CFD测试了Ahmed青光眼阀（AGV）等装置，识别流动低效区并提出改进设计。还有研究结合流体流动模拟和固体力学，描述了阀门开度对IOP值的依赖性。然而，大多数已发表的模型仍依赖于刚性壁假设，未来的工作应优先考虑集成经过验证的FSI、患者特异性材料属性以及实验验证，以支持新GDD设计的临床转化。

微创青光眼手术（MIGS）

MIGS旨在通过微小切口植入微尺度引流装置，以增加房水流出从而降低IOP。CFD已成为MIGS设备开发和评估中的重要辅助工具。研究已利用数值模型比较和预测不同MIGS植入物（如XEN支架、PreserFlo微分流管）的功效，分析支架几何形状、植入深度等因素对流出阻力和IOP降低的影响。CFD能够在无伦理顾虑的情况下进行可控、可重复的模拟和参数扫描。有研究表明，不考虑FSI的模型会低估流速，因此引入流固耦合分析可以更真实地反映装置与周围软组织（如小梁网）的相互作用，提升设计的生理相关性。将CFD与成像技术结合以实现患者特异性几何重建，是迈向个性化眼科的另一步骤。

治疗性接触镜的局部药物递送

使用接触镜进行青光眼治疗的局部递送是近年来的一个趋势。从连续介质力学的角度来看，用于调整IOP的药物溶质向小梁网的传输可以通过结合纳维-斯托克斯方程、物种传输方程（包括菲克扩散和对流传输）来描述。建模的主要工程挑战在于正确描述眼的扩散屏障（如镜片、泪膜、角膜各层、房水）的扩散和分配特性。已有研究使用简化的分层几何模型，通过扩散方程描述药物从镜片到房水的传输，并与实验数据验证，以确定屏障属性。随着建模方法的进步，需要超越纯粹的扩散表示，转向包含对流效应、更复杂的组织屏障描述以及材料属性影响的综合多物理场框架，以优化药代动力学和评估装置-组织相互作用。

激光周边虹膜切开术（LPI）

LPI是一种激光治疗，通过在周边虹膜上造口，促进房水从后房流向前房，以控制IOP。多物理场和FSI方法有助于理解切口几何形状如何受流场诱导的应力影响。有研究利用CFD模拟了不同条件下（包括正常和虹膜粘连配置）的房水流动和虹膜变形，发现当虹膜-晶状体间隙小于特定距离时，前后房之间的压力差和虹膜变形会急剧增加，而虹膜切开术能显著降低跨虹膜的压力差。结合OCT获得的高保真眼部几何形状可以使结果更具临床相关性。当前文献的局限性包括缺乏患者特异性几何和组织属性，未来工作应优先考虑模型验证和整合生物变异性，并向个性化医学方向发展，同时考虑FSI。

可生物降解的药物释放眼内植入物

可生物降解的眼内植入物是一种有前景的持续青光眼治疗策略，旨在克服传统局部和口服给药的限制。其开发涉及复杂的多物理场问题，包括流体流动、物质传输、溶解和时间依赖性的材料降解。CFD为体外研究这些耦合现象提供了一个框架，可以模拟前房内以及多孔植入体基质内的房水流动，捕捉剪切力、对流传输和局部浓度梯度如何影响植入物的降解曲线和药物释放动力学。例如，有研究对集成在人工晶状体（IOL）襻上的环形药物储库进行了模拟，包含了真实的眼部解剖特征和来自多孔植入物的药物释放动力学。目前的模型通常依赖于简化的几何形状和恒定属性假设，且缺乏实验验证。为了推进具有临床用途的预测，未来工作必须纳入患者特异性解剖数据、生理条件下的材料表征，以及针对长期药代动力学数据的迭代验证。

结论与未来展望

连续介质力学空间尺度的计算方法已成为青光眼研究中一个重要但尚未被充分利用的工具。其优势在于能够提供因伦理和技术障碍而无法通过实验方法获得的机理见解。然而，大多数报道的研究仍局限于流场的描述性分析，通常依赖于简化的几何形状、均匀的材料属性和被忽略的流固相互作用，这限制了其预测能力及结果向临床决策知识的转化。

未来，连续介质力学模拟有望在青光眼研究的当前挑战中发挥关键作用。为了实现其全部潜力，并最终为临床场景和个性化医疗做出贡献，未来的努力必须从过度简化的描述转向三个方面的进步：1. 集成能够捕捉耦合过程的多物理场框架；2. 采用从高分辨率成像和实验表征中获得的患者特异性几何和材料数据；3. 建立系统的验证策略。最终，该领域必须超越将连续介质力学模型视为学术演示的视角，而是将其嵌入到疗法设计和设备原型开发中。实现这一愿景需要工程师、眼科医生和行业伙伴之间更紧密的合作，明确目标是构建眼部的机理数字孪生，以加速创新，同时减少对动物和/或人体试验的依赖。