房水是人眼前段内不断循环流动的透明液体,能通过其对流作用影响眼内的药物运输。同时,房水的流动能使角膜内皮细胞受到流体切应力的作用。若房水流动发生了异常则会引起眼内流体切应力的改变,进而改变角膜细胞形态和生物学特性并引起角膜病变。因此,深入了解人眼房水动力学和眼内药物运输过程,有助于优化眼科药物的使用方法以及眼科手术方案,从而提高治疗效果并减少其副作用。针对以上问题,本文的主要研究内容如下:(1)建立了房水动力学数值模型,同时考虑了眼中的传热和房水流动,得到了眼内温度和房水速度的分布。我们的数值结果验证了自然对流是引起房水流动的主要原因,同时我们也讨论了眼方位和环境温度对眼内房水流动的影响。眼方位会改变房水流动状态,人眼平视时房水速度大小高于仰视时的速度。当环境温度接近于人体体温时房水流动最缓。(2)临床上治疗眼前段的疾病通常采用眼表给药的方式,例如施用眼药水或膏剂。我们建立了眼内药物运输的数值模型,并考虑眼中的传热和流体流动。通过数值模拟,我们得到了药物浓度的时空演化。同时我们也研究了眼方位、药物施用方式和环境温度对眼表药物运输的影响。我们发现接近于人体体温的环境温度不利于药物运输,增加药物在眼表上的停留时间能提高进入眼内的药物量,眼方位能影响在不同药物靶点处的浓度峰值,以及达到峰值所需的时间。(3)建立了眼内传热、房水流动和药物运输耦合的数学模型以研究在结膜下和巩膜上植入药物后眼前段内药物运输过程。数值结果表明结膜下植入式给药比巩膜上植入式给药更有利于药物运输到药物靶点。植入物的周向位置也能影响药物运输效率。植入物在12点钟位置时更有利于药物运输到虹膜和晶状体,而3点钟方位植入位置更有利于药物运输到小梁网。此外,平视人眼中的药物运输比仰视人眼的药物运输更有效。(4)建立了三维完整眼球数值模型以得到激光周边虹膜切开术后房水流动状态以及角膜内皮细胞所受切应力的变化,并讨论了激光开孔位置对角膜内表面切应力的影响。结果表明虹膜上激光孔的位置越靠近瞳孔中心时,角膜所受到的切应力越小。合适的开孔位置能降低角膜内皮细胞受到的切应力,减少激光周边虹膜切开术后患者大泡角膜病变的风险。(5)设计了一种可变形曲面上细胞流体应力加载装置,通过压力腔向透明弹性膜施加压力使其发生变形,从而改变生物细胞所在流动腔底面的形状,调节生物细胞所处的流体应力状态,进而观察和检测曲面上的生物细胞在不同受力状态下形态的生物学特性变化规律。