Caratterizzazione meccanica e modellazione viscoelastica di sclera porcina

Ocular pathologies represent a highly prevalent issue with a significant social impact; therefore, in order to develop safe and effective new therapies, the use of experimental models is often required. In this regard, the porcine animal model stands out as one of the most suitable for the study and investigation of human pathologies, due to the strong anatomical and physiological similarities with human tissues. The aim of this thesis is to provide a general mechanical and viscoelastic characterization of the porcine sclera, followed by a viscoelastic modelling approach. Furthermore, the study investigates whether sample preservation through freezing affects the mechanical properties of the sclera. Lastly, an analysis was carried out to compare the mechanical properties of cornea and sclera collected from the same ocular globe. Mechanical and relaxation tests were performed using a uniaxial tensile testing machine with a specific setup to keep the samples hydrated during testing. The cornea was tested, simultaneously with the sclera, using a different uniaxial tensile testing device. Viscoelastic modelling was performed using Julia programming language, equipped with the RHEOS package specifically developed for the viscoelastic modelling of biological tissues. The models adopted for the fitting procedures were: Maxwell, Standard Linear Solid (Zener), and the fractional Maxwell model. A pronounced viscoelastic behaviour was observed in both the sclera and the cornea, consistent with literature findings. Tissue stiffness was found to be strongly dependent on both the applied strain and the strain rate. Moreover, differences in the elastic modulus and relaxation modulus were identified across samples taken from distinct portions of the globe, showing higher resistance in superior samples and lower resistance in nasal ones. Freezing did not appear to significantly alter the mechanical properties of the sclera. Among the tested models, the fractional viscoelastic model provided the best representation of porcine sclera behaviour. No correlation was found between samples from the cornea and the sclera. Soft biological tissues exhibit substantial variability in experimental outcomes, due to both interindividual differences and their inherent sensitivity to manipulation and boundary conditions during testing.

Le patologie oculari si presentano come una problematica molto diffusa e di grande impatto sociale; per questo, al fine di stabilire la sicurezza e l’efficacia di nuove terapie, è spesso necessario l’utilizzo di un modello. A questo proposito, il modello animale suino si presenta come uno dei migliori per lo studio e la ricerca su patologie umane data la grande somiglianza anatomica e fisiologica del tessuto animale con quelli umani. Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo quello di presentare una caratterizzazione meccanica e viscoelastica generale della sclera porcina seguita da una modellazione viscoelastica. Inoltre, si è voluto indagare se il metodo di conservazione dei campioni mediante congelamento deteriorasse le proprietà meccaniche della sclera. In ultimo, è stata effettuata un’analisi preliminare per confrontare le proprietà meccaniche di cornea e sclera prelevati da uno stesso bulbo oculare. Per effettuare i test meccanici e di rilassamento è stata utilizzata una macchina di trazione uniassiale dotata di un apposito set up per mantenere i campioni idratati durante le prove. La cornea è stata testata tramite un’altra macchina di prova per la trazione uniassiale, contemporaneamente al test effettuato sulla sclera. La modellazione viscoelastica invece, è stata eseguita mediante il linguaggio di programmazione Julia dotato del pacchetto RHEOS, sviluppato appositamente per la modellazione viscoelastica dei tessuti biologici. I modelli che sono stati utilizzati per le procedure di fitting sono: Maxwell, Standard Linear Solid di Zener e il modello di Maxwell frazionale. È stato osservato un comportamento viscoelastico molto evidente, sia sulla sclera che sulla cornea, risultando coerente con quanto già presente in letteratura. La rigidezza dei tessuti è risultata fortemente dipendente della deformazione applicata, nonché dalla velocità di deformazione. Inoltre, è stata individuata una differenza nei moduli elastici dei campioni prelevati in porzioni distinte del globo, dimostrando una resistenza maggiore di quelli superiori e minore di quelli nasali. Il congelamento non ha mostrato di alterare significativamente le proprietà della sclera. Il modello viscoelastico frazionale è quello che rappresenta meglio l’andamento della sclera suina. Non è stata individuata alcuna correlazione fra le coppie di campioni di cornea e sclera. I tessuti biologici soffici presentano una grande variabilità nei risultati, sia dovuta ad una grande variabilità interindividuale, sia per la loro difficoltà di manipolazione, nonché per via della loro sensibilità alle condizioni al contorno del test sperimentale.