Made available in DSpace on 2014-10-09T12:46:06Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:00:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 07532.pdf: 3162084 bytes, checksum: 818e0972ee585d0c6e8f0a4901ff5b93 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:49:33Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:01:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 10451.pdf: 10032363 bytes, checksum: b57b5911da64da404a5cee965c7494e4 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:52:37Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:02:36Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / As espumas de polietileno são amplamente utilizadas. Suas aplicações vão de aparelhos domésticos a artefatos médicos, incluindo aplicações nas indústrias de construção civil e automobilística. As propriedades das espumas dependem da densidade e da sua estrutura celular, em outras palavras, da quantidade de células abertas e fechadas, da distribuição e do tamanho das células. Os métodos de produção de espumas de polietileno reticulado são classificados em dois tipos, de acordo com o método de reticulação. Um dos métodos é a reticulação química, que utiliza peróxidos como agente reticulante, O outro método é a reticulação por irradiação, utilizando feixe de elétrons. As espumas obtidas a partir do polietileno reticulado pelo processo de irradiação apresentam superfície lisa e homogênea, e são formadas basicamente por células fechadas. O objetivo deste trabalho foi utilizar a radiação ionizante para a formação de ligações cruzadas entre as moléculas de polietileno de baixa densidade (LDPE), que permitiu a obtenção das espumas. As suas propriedades mecânicas, térmicas e morfológicas foram avaliadas. As amostras de polietileno com densidade de 0,946 g/cm3, contendo 5% de azodicarbonamida (ADCA), agente expansor, foram irradiadas com feixe de elétrons de alta energia com doses de radiação de 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80 e 100 kGy. Após a irradiação, as amostras de LDPE foram colocadas em um forno para expansão térmica e formação das espumas. Foi determinado o grau de reticulação das espumas. Algumas amostras também foram envelhecidas termicamente. O desempenho mecânico das amostras de espumas foi avaliado por meio de ensaios de tração e deformação, dureza, deformação permanente por compressão e resiliência. Também foram realizados ensaios de termogravimetria (TGA) e de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados mostraram que no intervalo de doses de radiação estudadas, a resistência à tração aumenta com o aumento do grau de reticulação. Nos ensaios de resistência à compressão, a partir da dose de radiação de 40 kGy, observou-se um decréscimo nos valores obtidos. Já a resiliência sofreu pouca aheração. De acordo com a análise morfológica pode-se concluir que a dose de radiação de 30 kGy foi a que promoveu a formação de espumas com estrutura celular fechada e mais homogênea. / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:47:53Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:09:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 08353.pdf: 6590819 bytes, checksum: 6bd431fef4518d9f2aacc4d2c2809274 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP / FAPESP:97/07146-6

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2014-11-10T11:49:28Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-11-10T11:49:28Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O uso do método de esterilização por radiação gama ajuda na redução da contaminação microbiológica. O polietileno linear de baixa densidade (PELBD) é um polímero de cadeias lineares e ramificações curtas. Neste trabalho o PELBD injetado foi irradiado por uma fonte de 60Co com 2000 kCi de atividade, na presença de ar, em doses de 5, 10, 20, 50 ou 100 kGy e taxas de dose de cerca de 5 kGy.h-1 em temperatura ambiente (25 ºC). Após a irradiação, foi necessário submeter as amostras a um tratamento térmico em uma estufa por 60 min a 100 ºC para a recombinação e aniquilação dos radicais residuais. Na sequência as amostras injetadas foram irradiadas e caracterizadas para identificar os efeitos de degradação térmica, cisão e reticulação em cada dose. Verificou-se uma degradação térmica da resina ao passar pelo processo de modelagem por injeção confirmada pela análise de FTIR. Os PELBD injetados irradiados nas doses de 5, 10 ou 20 kGy tiveram maior tendência a cisão do que aqueles nas doses de 50 ou 100 kGy, nos quais predominou a reticulação. Desta forma determinaram-se os efeitos da irradiação e do processo nos PELBD moldados por injeção. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Orientador: Fábio Cesar Gozzo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T03:38:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gomes_AlexandreFerreira_D.pdf: 12902505 bytes, checksum: 9ee986003caba0a232a59bff99ccc97d (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Este trabalho foi dividido em dois capítulos, tendo como temática geral a aplicação de técnicas modernas baseadas em espectrometria de massas (MS) no estudo da biotransformação de fármacos (capítulo I) e em proteômica estrutural por ligação cruzada e mobilidade iônica (capítulo II). No capítulo I, foram estudadas rotas de fragmentação por dissociação induzida por colisão (CID), perfis de metabólitos in vivo em ratos e farmacocinética de derivados de 4-anilinoquinazolina, candidatos a inibidores da enzima adenosina quinase (AK), tendo por essa razão potencial terapêutico no tratamento de doenças como hipertensão, Diabetes mellitus, psoríase e doenças inflamatórias crônicas. O comportamento desses compostos em MS foi inicialmente avaliado com base em suas rotas de fragmentação em fase gasosa por MS sequencial, com auxílio de cálculos teóricos para íons precursores e fragmentos em fase gasosa. Esse conhecimento foi então aplicado na determinação dos perfiis de metabólitos de fases I e II in vivo em ratos e de sua farmacocinética utilizando-se métodos de cromatografia líquida de ultra eficiência acoplada a MS (UPLC-MS). Os resultados permitiram estabelecer as principais vias de fragmentação por CID para essa classe de compostos, bem como os principais metabólitos observados in vivo. No capítulo II, foram realizados estudos fundamentais em proteômica estrutural por MS. Nesse âmbito, o efeito de modificações covalentes advindas de reações de ligação cruzada nas conformações de proteínas-modelo foi investigado empregando-se a técnica de mobilidade iônica acoplada a MS (IM-MS) em duas abordagens instrumentais distintas, que permite determinar as seções de choque de colisão (CCS) de íons em fase gasosa. Os resultados obtidos dos experimentos de IM-MS, aliados a dados provenientes de simulações de dinâmica molecular (MD) dos sistemas em questão, permitiram concluir que as modificações de ligação cruzada aumentam a resistência dos íons de proteína em fase gasosa ao processo de desenovelamento, e geram íons mais compactos em fase gasosa (menor CCS). Um modelo foi proposto para explicar esse fenômeno, correlacionando as conformações observadas com a carga líquida e densidade de carga dos íons de proteínas em fase gasosa / Abstract: This work was divided in two chapters, both grouped under the general theme of application of modern mass spectrometry (MS)-based techniques to the study of drug biotransformation (chapter I) and in structural proteomics by chemical cross-linking and ion mobility (chapter II). In chapter I, collision-induced dissociation (CID) routes, in vivo rat metabolite profiles and pharmacokinetics of a series of 4-anilinoquinazoline derivatives were studied. These derivatives are potential adenosine kinase (AK) inhibitors, having therapeutic potential in treatment of diseases such as hypertension, Diabetes mellitus, psoriasis and chronic inflammatory diseases. The mass spectrometric behavior of such derivatives was initially evaluated in terms of their fragmentation routes by sequential MS, aided by theoretical calculations for gas phase precursor and fragment ions. This knowledge was then applied in the determination of in vivo phase I and II metabolite profiles in rats, as well as pharmacokinetics, using ultra performance liquid chromatography coupled to MS (UPLC-MS). Results allowed the establishment of main CID fragmentation routes for this class of compounds, as well as the main metabolites observed in vivo. The focuses of chapter II were fundamental studies in structural proteomics by a combination of chemical cross-linking, ion mobility and MS. More specifically, the effect of covalent modifications introduced by chemical cross-linking in the conformations of model proteins was investigated by ion mobility-MS (IM-MS) techniques, which allows the determination of collision cross sections (CCS) for gas phase ions. Results from IM-MS experiments, together with data from molecular dynamics (MD) simulations of the studied systems, indicate that the cross-linking modifications increase the resistance of protein ions to gas phase unfolding, also generating more compact ions in the gas phase (smaller CCS). A model was developed to explain this phenomenon, correlating the observed conformations with net charge and charge density of the gas phase protein ion / Doutorado / Quimica Organica / Doutor em Ciências

Les résines composites à base de polymères diméthacrylates sont des biomatériaux fréquemment employés en dentisterie où la matrice est synthétisée in vivo par photopolymérisation en chaîne radicalaire. En Odontologie Conservatrice, la contraction volumique dont cette matrice est le siège au cours de sa synthèse est un inconvénient majeur. Elle est, en effet, à l’origine de contraintes physiques souvent néfastes et mal contrôlées dès lors que le matériau, collé aux murs cavitaires, est élaboré en milieu confiné. Aucune étude n'a permis à ce jour d’analyser de manière approfondie ce phénomène de contraintes de contraction au regard des conditions opératoires de la synthèse de la matrice. Le but de ce travail est donc d'isoler la problématique des contraintes internes en orientant exclusivement l’étude vers l'analyse de la matrice. En élaborant des prototypes à base de Bis-GMA et d’UEDMA et après caractérisation de certaines propriétés physico-chimiques, rhéologiques et thermodynamiques des mélanges de ces comonomères et des copolymères résultants, ce travail a permis de contribuer à une meilleure compréhension de la phénoménologie de la relaxation viscoélastique qui gouverne la dissipation des contraintes de contraction / Composite materials containing polymers are biomaterials frequently employed in dentistry where the matrix is synthesized in vivo by photocured radical chain. In Operative Dentistry, the resulting shrinkage strain produced during the synthesis of this matrix is a major disadvantage. It is, indeed, at the origin of often harmful and badly controlled physical stresses since the material, stuck to the cavity walls, is elaborated in confined surroundings. No study to date allowed analyzing thoroughly this phenomenon of contraction taking into consideration the operating conditions of the synthesis of the matrix. The goal of this work is thus to exclusively isolate the set of problems of the internal stresses by directing the study towards the matrix analysis. By elaborating prototypes based on Bis-GMA and UEDMA and after characterization of certain physicochemical, rheological and thermodynamic properties of mixtures of these comonomers and of the resulting copolymers, this work made it possible to contribute to a better understanding of the phenomenology of the viscoelastic relaxation which governs the dissipation of the shrinkage stress

Content: Synchrotron small-angle X-ray scattering (SAXS) technique was applied to leather research to understand the changes in molecular-level collagen structure during tanning and denaturation (shrinkage), which can help reduce the environmental impact from the extensive chrome usage. Based on SAXS results from realtime denaturation experiments on leather samples, we established a mechanistic model of chrome tanning indicated by the structural changes of collagen. It suggests that only a low level of chromium species is effectively involved in the cross-linking with collagen, which highlights the overuse of chrome during conventional tanning processes. Any extra amount of chrome added, however, can support the stabilisation of collagen possibly via a non-covalent mechanism. Such mechanism points towards a more environment-friendly tanning method by using suitable supplementary reagents to benefit tanning effect non-covalently instead of chrome. By pre-treating with complexing agents such as sodium formate and disodium phthalate, as well as nanoclay (sodium montmorillonite), the uniformity through bovine hide collagen matrix were improved significantly. These pre-treatments effectively reduce the reactivity of chromium during its cross-linking reaction with collagen while retaining its bound water. However, collagen pre-treated with a covalent cross-linker (glutaraldehyde) results in a decrease in both chromium-collagen cross-linking and bound water while improving uniformity. These molecular-level insights can be developed into metrics to guide us towards a more sustainable future for the leather industry. The coating on collagen fibrils can provide a pseudo-stabilisation effect of increasing the heat resistance of collagen. A group of tanning experiments were also conducted in situ on the SAXS beamline to observe the different mechanisms of free-of-chrome alternative tannages as potential replacements. Overall, synchrotron SAXS provides valuable information about collagen structure changes that could lead to more efficient use of chrome (or other tanning agents) in the global leather tanning industry. Take-Away: 1. Kinetics of hydrothermal denaturation and collagen crosslinking mechanism proceed through different pathways 2. Alternative chemistries to enhance chrome uptake at low offers. 3. The role of collagen structure studies in understanding tanning mechanims

Content: Fish collagen has been considered to be an alternative for mammalian collagen, however, physicochemical properties of fish collagen-based materials such as gels are so far not adequate for actual application. In the present study, we prepared two types of fish collagen gels with sufficient elasticity: i) dehydrated fibrillogenesis collagen gels (DFCG), which were fabricated via collagen self-assembly followed by immersion in different concentrations of ethanol solutions, and ii) dehydrated cross-linking collagen gels (DCCG), which were fabricated via collagen self-assembly and simultaneous cross-linking followed by immersion in ethanol solution. Furthermore, the physicochemical properties of DFCG and DCCG were analyzed by atomic force microscopy, differential scanning calorimetry, enzymatic degradation and dynamic viscoelastic measurements. The microstructure of DFCG was consisted of characteristic Dperiodic collagen fibrils and insusceptible of ethanol concentrations (20-100% (v/v)). However, the thermal stability, remaining weight after enzymatic degradation and mechanical properties of DFCG distinctly increased with the increase of ethanol dose, possiblely ascribing that ethanol with higher polarity might dehydrate partial free water of DFCG and strengthen the interactions of hydrogen bond. Especially, for the gel treated by 100% (v/v) enthanol, Td increased by 32.7 °C and G′ was 55-folds than those of undehydrated gel (43.1 °C and 239.2 Pa). In the case of DCCG, the formation of collagen fibrils was depended on the concentrations of N-hydroxysuccinimide adipic acid derivative (NHS-AA), which was converted to [NHS-AA]/[NH2] ratios (calculated by the [active ester group] of NHS-AA and [ε-NH2] of lysine and hydroxylysine residues of collagen). As the ratio= 0.05, the characteristic D-periodic fibrils were still formed and the treatment of 60% (v/v) ethanol increased the Td (52.5 °C) and G′ (7388 Pa) values of the gel compared with those of uncross-linked gel (49 °C and 2064.32 Pa, respectively), majorly resulting from the effects of covalent cross-linking bonds and hydrogen bonds. However, when the ratio= 0.2, the collagen self-assembly was intensively inhibited and the dehydration of free water within gel structure in the absence of thick fibrils led to the shrinkage of the gel and an obvious decrease in Td (42 °C) and G′ (432 Pa). Although the [NHS-AA]/[NH2] ratio further increased to 0.8, the thermal stability and elasticity of the gel enhanced mildly suggesting that the presence of thick fibrils formed via the self-assembly was significantly crucial for reinforcing the gels. Take-Away: The fish collagen gels with excellent elasticity were prepared via the treatment of ethanol. The physicochemical properties of the dehydrated gels were depended on the concentrations of ethanol. The presence of characteristic D-periodic fibrils was significantly crucial for reinforcing the gels.

Zusammenfassung: Das Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle und klinische Evaluierung eines neuartigen Messverfahrens zur Bestimmung biomechanischer Eigenschaften der Hornhaut. Das untersuchte Gerät (Corvis ST, Oculus, Wetzlar, Deutschland) ist ein Non-Kontakt Tonometer mit integrierter Scheimpflug-Technologie, welches zum Einsatz am menschlichen Auge weltweit zugelassen ist. Ein Luftimpuls wird dabei auf die Hornhaut appliziert, wodurch diese deformiert wird. Dieser Prozess hat zur Folge, dass die Hornhaut applaniert (erste Applanation), anschließend nach innen gedrückt (höchste Konkavität) und durch das Abschalten des externen Luftimpulses, vom Augeninnendruck (IOD) in ihre ursprüngliche, physiologische Form gedrückt wird, wobei sie die zweite Applanation durchläuft. Die klinisch relevanten Parameter des Corvis ST (DCR Parameter) sind der bIOP, ein biomechanisch korrigierter IOD; DAR2, das Verhältnis aus zentraler Deformation und peripherer Deformation (bei 2 mm) der Hornhaut; int. 1/R, Summe aus dem Kehrwert des Radius während der konkaven Phase der Hornhaut zwischen erster und zweiter Applanation; SP A1, Steifigkeitsparameter der ersten Applanation sowie CBI, eine Kombination aus verschiedenen DCR Parametern zur Trennung zwischen gesunden und Keratokonus Hornhäuten. Die Literaturrecherche hat ergeben, dass mechanische Kenngrößen nicht ohne Weiteres auf biologische Gewebe anwendbar sind, da insbesondere die Hornhaut anisotrope, nicht lineare und viskoelastische Eigenschaften aufweist. Aus diesem Grund kann für die Hornhaut beispielsweise kein einheitlicher E-Modul abgeleitet werden. Der E-Modul ist vielmehr eine Funktion der Dehnung. Für die Messung am Auge haben IOD und Hornhautdicke einen wesentlichen Einfluss auf das biomechanische Verhalten der Hornhaut. Diese und weitere Faktoren werden in dieser Arbeit untersucht und nach ihrem Effekt auf die Messparameter beurteilt. In experimentellen Untersuchungen wurde insbesondere der Einfluss des IOD betrachtet. Hierbei zeigt sich, je höher der IOD im Schweineauge induziert ist, desto weniger verformbar verhält sich die Hornhaut gegenüber dem eintreffenden Luftimpuls, wobei sich die Materialeigenschaften nicht verändern. Dies drückte sich unter anderem in geringeren Werten für DAR2 und int. 1/R sowie höheren Werte für SP A1 aus. Infolgedessen wird auf die IOD Konformität zwischen den zu untersuchenden Studienpopulationen geachtet, um die Messergebnisse richtig evaluieren zu können. In den klinischen Untersuchungen können zudem Hornhautdicke und Alter als weitere Einflussfaktoren auf die DCR Parameter bei Gesunden beobachtet werden. Eine dickere Hornhaut weist demnach einen höheren Widerstand (geringere Werte für DAR2, int. 1/R sowie höhere Werte für SP A1) gegenüber dem Luftimpuls auf als eine dünnere Hornhaut. Das Alter hat einen Versteifungseffekt auf die Hornhaut, was sich nachweislich durch eine positive Korrelation des Alters mit SP A1 zeigt. Eine weitere Voraussetzung für die Beurteilbarkeit der DCR Parameter ist die Bestimmung der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit. Sowohl am Schweineauge als auch bei Keratokonus-Patienten zeigt sich insgesamt eine hohe Genauigkeit der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der Parameter, sodass von einer verlässlichen Messung ausgegangen werden kann. Diese Erkenntnis ist insbesondere für die Evaluierung von longitudinalen Fragestellungen enorm wichtig. Für die klinischen Untersuchungen wurde der Ocular Response Analyzer (ORA, Reichert Technologie, Buffalo, NY, USA), ein weiteres Non-Kontakt Tonometer zur Bestimmung biomechanischer Parameter der Hornhaut, als Vergleichsgerät herangezogen. Die Hauptparameter sind die korneale Hysterese (CH) und der korneale Widerstandsfaktor (CRF). Jedoch spiegeln diese Parameter nicht die Steifigkeit der Hornhaut wider, da sie viskoelastische Eigenschaften der Hornhaut beschreiben. Der Grund dafür ist die Integration der Druckwerte der ersten und zweiten Applanation während Ein- und Auswärtsbewegung der Hornhaut in die Berechnung von CH und CRF. Im Gegensatz dazu beschreiben die DCR Parameter des Corvis ST das Deformationsverhalten der Ein- und Auswärtsbewegung der Hornhaut. Es wird davon ausgegangen, dass die Einwärtsbewegung der Hornhaut vermehrt die elastische Komponente widerspiegelt, wodurch sich ein Zusammenhang zur Steifigkeit herleiten lässt. Die Evaluierung der DCR Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus Patienten ergibt, dass der CBI die beste Trennung mit hoher Sensitivität und Spezifität zwischen beiden Kohorten darstellt. Weiterhin zeigen sich DAR2, int. 1/R und SP A1 eine hohe Genauigkeit der Erkennung eines Keratokonus, sogar höher als CH und teilweise auch als CRF. Darüber hinaus können Unterschiede in bestimmten DCR Parameter zwischen verschiedenen Schweregraden des Keratokonus gefunden werden, so dass in der Folge eine weitere Analyse durchgeführt werden konnte, die anhand von Machine Learning Algorithmen den Schweregrad des Keratokonus vorhersagt. Das Modell erreicht eine gute Sensitivität und Spezifität zur Vorhersage von Gesunden, frühen und fortgeschrittenen Stadien, jedoch nicht für mäßige Stadien. Diese Arbeit weist weiterhin nach, dass die Hornhautvernetzung (CXL), ein Therapieverfahren bei progressiven Keratokonus, eine Änderung in den DCR Parametern erzeugt, die auf eine Zunahme der Hornhautfestigkeit hindeutet. Die experimentellen Versuche am Schweineauge leiten einen Zusammenhang zwischen Spannungs-Dehnungsmessung und Änderungen in den DCR Parameter her. Indizien für die Zunahme der Hornhautfestigkeit sind einerseits ein höher gemessener IOD trotz konstant induzierten IOD im Schweineauge und andererseits ein geringerer Wert für int. 1/R sowie ein höherer Wert für SP A1. Auch in den klinischen Untersuchungen wird diese Beobachtungen gemacht, auch wenn sich der Effekt weniger stark zeigt. Dennoch kann ebenfalls eine Zunahme des bIOP und eine Abnahme des int. 1/R beobachtet werden, wobei diese einen Monat postoperativ am stärksten ausgeprägt sind. Letztlich bietet das Corvis ST hilfreiche Informationen über die biomechanischen Eigenschaften der Hornhaut. Dies ist insbesondere im Vorfeld refraktiv-chirurgischer Eingriffe und zur Beurteilung des Keratokonus wichtig. In dieser Arbeit wird ein gewisser Einfluss des IOD und der Hornhautdicke auf die DCR Parameter nachgewiesen, so dass zukünftig computergestützte Verfahren verwendet werden sollten, um Materialeigenschaften der Hornhaut möglichst unabhängig von ihrer Dicke und dem vorliegenden IOD zu bestimmen. Dies ist auch für andere Augenerkrankungen, wie z. B. dem Glaukom, wichtig.:Vorwort IV Inhaltsverzeichnis VI Abbildungs- und Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XV 1 Einleitung 1 2 Wissenschaftlicher Hintergrund 2 2.1 Das Auge 2 2.2 Kornea – die Hornhaut des menschlichen Auges 3 2.2.1 Struktur und Eigenschaften des Hornhautstromas 8 2.2.2 Zelluläre Abnormitäten der Hornhaut bei Keratektasien 12 2.2.3 Strukturelle Veränderungen der Hornhaut bei okulären und systemischen Erkrankungen 14 2.3 Keratokonus 17 2.3.1 Inzidenz und Prävalenz 17 2.3.2 Risikofaktoren 18 2.3.3 Diagnose und klinische Zeichen 19 2.3.4 Behandlungsoptionen 25 2.4 Methoden zur Bestimmung von (bio-)mechanischer Eigenschaften 29 2.4.1 Übertragung mechanischer Kenngrößen auf Biomaterialien 29 2.4.2 Zusammenhang zwischen den chemischen, strukturellen Eigenschaften und der Biomechanik der Hornhaut 33 2.4.3 Bestimmung der Biomechanik der Hornhaut ex vivo 33 2.4.4 Bestimmung der Biomechanik der Hornhaut in vivo 37 2.4.5 Computer gestützte Modellierung von biomechanischen Modellen und Ektasien 43 2.5 Aktueller Stand der Forschung 46 2.5.1 Ocular Response Analyzer 46 2.5.2 Corvis ST 50 2.6 Fragestellungen und Hypothesen 53 3 Material und Methoden 54 3.1 Messgeräte 54 3.1.1 Ocular Response Analyzer 54 3.1.2 Corvis ST - Corneal Visualization Scheimpflug Technology 56 3.1.3 Scheimpflug-basierte Topografie und Tomografie 62 3.2 Experimentelle Untersuchungen 62 3.2.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweineauge 63 3.2.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking anhand von Schweineaugen 65 3.2.3 Statistische Auswertung der experimentellen Untersuchungen 69 3.3 Klinische Untersuchung 70 3.3.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 70 3.3.2 Evaluierung biomechanischer Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus-Patienten – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 71 3.3.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 73 3.3.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 75 3.3.5 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking 77 4 Ergebnisse 78 4.1 Experimentelle Untersuchungen 78 4.1.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweine-auge 78 4.1.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking anhand von Schweineaugen 83 4.2 Klinische Untersuchungen 88 4.2.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 88 4.2.2 Evaluierung biomechanischer Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus-Patienten – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 101 4.2.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 107 4.2.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 112 4.2.5 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking 118 5 Diskussion 121 5.1 Experimentelle Untersuchungen 121 5.1.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweine-auge 121 5.1.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking ex vivo und in vivo 123 5.2 Klinische Untersuchungen 129 5.2.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 129 5.2.2 Evaluierung und Differenzierung gesunder Probanden und Keratokonus-Patienten hinsichtlich biomechanischer Parameter – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 134 5.2.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 140 5.2.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 142 6 Zusammenfassung 145 7 Summary 148 Literaturverzeichnis 151 Stichwortverzeichnis 166 Anhang 168 Danksagung 187 Anlage 1 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 188 Anlage 2 Erklärung zur Einhaltung aktueller gesetzlicher Vorgaben 189 Anlage 3 Angabe zu Bildrechten 190 Anlage 4 Kennzeichnung des Eigenanteils bereits veröffentlichter Publikationen 195 / Summary: The aim of this thesis is to investigate a novel method measuring biomechanical properties of the cornea in experimental and clinical conditions. The used device is a dynamic Scheimpflug Analyzer based non-contact tonometry (Corvis ST, Oculus, Wetzlar, Germany) and is approved for in vivo applications. An ultra-high speed Scheimpflug camera records the complete corneal deformation after applying an air-puff. Due to external air pressure, the cornea passes the 1st applanation, followed by a concave phase until highest concavity and afterwards 2nd applanation until it recovers to its initial physiological state. Several dynamic corneal response (DCR) parameters are derived from these measurements. Some of these DCR parameters show clinical relevance: The bIOP is a biomechanical corrected intraocular pressure (IOP) whose value is adjusted by age, corneal thickness and several DCR parameters. Further, the deformation amplitude ratio at 2 mm (DAR2) represents the ratio between central und peripheral deformations. The integrated inverse radius (int. 1/R) is the sum of the reciprocal curvature during the concave phase (between 1st and 2nd applanation). The overall corneal stiffness is represented by stiffness parameter at 1st applanation (SP A1). Finally, the Corvis Biomechanical Index (CBI) is a screening parameter that separates healthy from keratoconic eyes. Based on literature research, typical mechanical parameters from engineering or material sciences cannot be applied to the cornea easily, due to anisotropic, non-linear and visco-elastic properties of the cornea. Hence, it is not possible to determine a consistent value for Young’s modulus; instead, it can be seen as a function of strain. The measurement of biomechanical properties of the cornea are mainly influenced by IOP and corneal thickness. In this thesis, these and other factors were investigated to evaluate the impact on DCR parameters. During the experiment with porcine eyes, it has been found that the higher the induced IOP is, the less deformable the cornea behaves against the applied air puff, even though the material properties are not altered. While increasing the IOP, Corvis ST measurements were performed at each 5 mmHg steps. Among other findings, observations show decreased values for DAR2 and int. 1/R as well as increased values for SP A1. As a direct consequence, IOP conformity is taken into account for further investigations. In addition, clinical investigations also showed corneal thickness and age as influencing factors on the DCR parameter in healthy subjects. A higher corneal thickness is associated with a stiffer biomechanical behavior (lower DAR2 and int. 1/R, higher SP A1) than thinner corneas in healthy eyes. Furthermore, it could be found that age has a stiffening effect on the cornea (higher SP A1). Repeatability and reproducibility were investigated experimentally and clinically. Certain DCR parameters were repeatable in porcine eyes and keratoconic eyes. Therefore, it can be concluded that these measurements are reliable and can be used for longitudinal observations. The Ocular Response Analyzer (ORA, Reichert Technologies, Buffalo, NY, USA) is another clinical device to measure biomechanical properties of the cornea based on non-contact tonometry. Main parameters are corneal hysteresis (CH) and corneal resistance factor (CRF). However, CH and CRF are not associated with corneal stiffness because it reflects corneal visco-elastic properties due to the integration of pressure values of inward and outward movement in its calculations. In contrast, DCR parameters of Corvis ST describe corneal behavior of inward and outward movement separately. Parameters of inward movement are associated with the elastic component and thus to corneal stiffness. The investigations in healthy and keratoconic eyes have shown that CBI is the best parameter separating between these cohorts. Furthermore, DAR2, int. 1/R and SP A1 show higher values for sensitivity and specificity in differentiating healthy from keratoconus as CH and partly CRF. Regarding the severity of keratoconus, some DCR parameters are different between several stages. As a result, a classification model to predict the severity of keratoconus had been developed based on Machine learning algorithms. The prediction of healthy, early and advanced cases shows good sensitivity and specificity whereas mild cases show moderate accuracy. In this thesis, corneal biomechanical alterations after cross-linking (CXL) in progressive keratoconus are evaluated. Before the clinical study, porcine eyes were investigated ex vivo to evaluate the efficacy of CXL using common surgical protocols. These eyes were measured by Corvis ST and afterwards by stress-strain measurement (extensometry). In conclusion, a higher IOP, a higher SP A1 and a lower int. 1/R observed by Corvis ST after CXL can be associated with an increased corneal stiffness, measured by extensometry. In vivo, alterations in the same manner of bIOP and int. 1/R were observed one months after CXL and partly up to one year. However, it can be assumed that the biomechanical effect can be measured preferably in short-term follow-up. Hence, the Dynamic Scheimpflug Analyzer can be seen as a useful device to measure in vivo biomechanical properties of the cornea. Pre-operative examination in refractive surgery or early diagnosis of keratoconus can notably be improved by corneal biomechanical information. There is a certain relationship between DCR parameters and IOP as well as corneal thickness. In the future research, computer-aided data analysis of raw data from Corvis ST can help to determine advanced material properties of the cornea independently from its thickness and IOP. The investigation of e.g. glaucoma patients could be a further important application.:Vorwort IV Inhaltsverzeichnis VI Abbildungs- und Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XV 1 Einleitung 1 2 Wissenschaftlicher Hintergrund 2 2.1 Das Auge 2 2.2 Kornea – die Hornhaut des menschlichen Auges 3 2.2.1 Struktur und Eigenschaften des Hornhautstromas 8 2.2.2 Zelluläre Abnormitäten der Hornhaut bei Keratektasien 12 2.2.3 Strukturelle Veränderungen der Hornhaut bei okulären und systemischen Erkrankungen 14 2.3 Keratokonus 17 2.3.1 Inzidenz und Prävalenz 17 2.3.2 Risikofaktoren 18 2.3.3 Diagnose und klinische Zeichen 19 2.3.4 Behandlungsoptionen 25 2.4 Methoden zur Bestimmung von (bio-)mechanischer Eigenschaften 29 2.4.1 Übertragung mechanischer Kenngrößen auf Biomaterialien 29 2.4.2 Zusammenhang zwischen den chemischen, strukturellen Eigenschaften und der Biomechanik der Hornhaut 33 2.4.3 Bestimmung der Biomechanik der Hornhaut ex vivo 33 2.4.4 Bestimmung der Biomechanik der Hornhaut in vivo 37 2.4.5 Computer gestützte Modellierung von biomechanischen Modellen und Ektasien 43 2.5 Aktueller Stand der Forschung 46 2.5.1 Ocular Response Analyzer 46 2.5.2 Corvis ST 50 2.6 Fragestellungen und Hypothesen 53 3 Material und Methoden 54 3.1 Messgeräte 54 3.1.1 Ocular Response Analyzer 54 3.1.2 Corvis ST - Corneal Visualization Scheimpflug Technology 56 3.1.3 Scheimpflug-basierte Topografie und Tomografie 62 3.2 Experimentelle Untersuchungen 62 3.2.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweineauge 63 3.2.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking anhand von Schweineaugen 65 3.2.3 Statistische Auswertung der experimentellen Untersuchungen 69 3.3 Klinische Untersuchung 70 3.3.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 70 3.3.2 Evaluierung biomechanischer Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus-Patienten – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 71 3.3.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 73 3.3.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 75 3.3.5 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking 77 4 Ergebnisse 78 4.1 Experimentelle Untersuchungen 78 4.1.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweine-auge 78 4.1.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking anhand von Schweineaugen 83 4.2 Klinische Untersuchungen 88 4.2.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 88 4.2.2 Evaluierung biomechanischer Parameter anhand von gesunden Probanden und Keratokonus-Patienten – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 101 4.2.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 107 4.2.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 112 4.2.5 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking 118 5 Diskussion 121 5.1 Experimentelle Untersuchungen 121 5.1.1 Beurteilung von Einflussfaktoren auf die DCR Parameter am Schweine-auge 121 5.1.2 Beurteilung biomechanischer Änderungen nach kornealem Cross-Linking ex vivo und in vivo 123 5.2 Klinische Untersuchungen 129 5.2.1 Normwerte von gesunden Probanden und Einflussfaktoren auf Messparameter des Corvis ST und ORA 129 5.2.2 Evaluierung und Differenzierung gesunder Probanden und Keratokonus-Patienten hinsichtlich biomechanischer Parameter – Eine Fall-Kontroll-Untersuchung 134 5.2.3 Klassifizierung der DCR Parameter anhand des Keratokonus-Schweregrades 140 5.2.4 Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der DCR Parameter anhand von Keratokonus-Patienten 142 6 Zusammenfassung 145 7 Summary 148 Literaturverzeichnis 151 Stichwortverzeichnis 166 Anhang 168 Danksagung 187 Anlage 1 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 188 Anlage 2 Erklärung zur Einhaltung aktueller gesetzlicher Vorgaben 189 Anlage 3 Angabe zu Bildrechten 190 Anlage 4 Kennzeichnung des Eigenanteils bereits veröffentlichter Publikationen 195